近期，国际知名综合期刊《自然·通讯》(Nature Communications)以“A Brewster route to Cherenkov detectors”为题在线报道了浙江大学信息与电子工程学院林晓研究员的一项最新研究成果。课题组在国际上率先揭示了基于布鲁斯特效应的宽频微纳切伦科夫探测器工作新机理，有助于研发下一代小型化高灵敏粒子探测器。

图1：基于布鲁斯特效应的微纳切伦科夫探测器结构示意图

早在上世纪就有三位原苏联科学家（Cherenkov, Frank 和Tamm）因实验发现带电粒子匀速运动产生的切伦科夫辐射和揭示其辐射机理而获1958年诺贝尔物理学奖。据此设计的切伦科夫探测器在高能粒子探测中广泛应用，在许多基本粒子（反质子、J /ψ 粒子、中微子振荡等）发现过程中发挥了重要作用。然而，受传统切伦科夫辐射机理的限制，切伦科夫探测器必须使用折射率非常近一的透明材料来设计，使得可选用材料非常少，只局限于硅凝胶和一定浓度的气体；为产生足够多光子数方便探测，使用的硅凝胶或气体一般体积非常庞大。这意味着切伦科夫探测器不能使用自然界中广泛存在的常规透明介质；其主要原因在于切伦科夫辐射角在常规介质中对带电粒子速度极不敏感，使得器件灵敏度极低。针对此问题，林晓研究员联合国际研究团队曾揭示高速带电粒子在光子晶体中渡越辐射共振可产生等效切伦科夫辐射的新机理 [Nature Physics 14, 816 (2018)]；该机理有望利用人工结构光学材料设计新型微纳切伦科夫探测器。但基于金属的等效折射率近一超材料或者基于常规透明介质的光子晶体，均会由材料或结构周期性引入色散，使微纳切伦科夫探测器难以在宽频工作，辐射光子总能量低，影响器件性能。

针对这一挑战，林晓研究员联合国际研究团队近期进一步揭示了一种基于布鲁斯特效应的宽频微纳切伦科夫探测器工作新机理[图1]。通过优化只由两种常规透明介质构成的整体非周期而局部周期的多层结构，可构建宽频角度滤波器，阻止除布鲁斯特角外的任意角度入射光透过，使得探测平面中透射的切伦科夫辐射强度的峰值位置与粒子速度存在一一对应关系。基于布鲁斯特效应，我们可灵活设计角度滤波器，使其针对切伦科夫辐射的等效折射率在整个可见光范围内无色散且该值可任意接近于一[图2]，从而大幅提升微纳切伦科夫探测器的灵敏度和工作带宽。该研究成果有望为下一代小型化高灵敏切伦科夫探测器研发提供理论指导和新研究范式。

图2：针对切伦科夫辐射设计等效折射率任意近一的新思路

林晓为论文第一作者，浙江大学为第一完成单位。该工作的作者包括浙江大学陈红胜教授，新加坡南洋理
工大学胡昊博士、Baile Zhang教授、Yu Luo教授，以色列理工学院Ido Kaminer教授、美国麻省理工学院
Yi Yang博士、Marin Soljačić教授、John Joannopoulos教授，欧洲核子研究中心Sajan Easo博士、
Michele P. Blago博士，美国Lightelligence公司Yichen Shen博士和Mantaline Corporation公司
Kezhen Yin博士。

该工作受到国家自然科学基金委杰出青年基金项目和面上基金项目资助。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-25822-x