源自深亚波长 epsilon 接近零超材料的超定向过渡辐射

《Advanced Optical Materials》：Ultra-Directional Transition Radiation From Deep-Subwavelength Epsilon-Near-Zero Metamaterials

过渡辐射在亚波长样品中的应用及epsilon-near-zero超材料设计实现高强度窄角辐射，为光子芯片开发提供新途径。

　　

摘要

当自由电子穿透光学样品时，会产生过渡辐射，这种辐射为产生任意频率的光提供了有效途径，这对许多跨学科应用至关重要。然而，这种光通常具有较宽的角度分布和较弱的强度，尤其是在样品厚度小于波长时。因此，在实际应用中需要使用超厚样品，这从根本上限制了其在芯片上的应用。本文从理论上揭示了一种机制，可以利用具有深亚波长厚度的接近零介电常数的超材料产生超定向过渡辐射，并显著增强其强度，该厚度可低至光波长的百分之一。其核心机制在于极端的光子态密度，通过精心设计超材料的各向异性，这些光子态密度能够在预定义的角度范围内与自由空间耦合。具体来说，通过将超材料的一个相对介电常数调整为接近零，另一个相对介电常数调整为远大于1，可以使辐射峰值具有狭窄的角度分布（半高宽小于1度），同时强度增强三个数量级。此外，这种超高的方向性对电子速度的变化具有很强的鲁棒性，且可以通过低能量电子实现。这一发现可能为新型芯片光子器件的开发铺平道路。

利益冲突

作者们没有需要披露的利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可在Zenodo平台上公开获取，引用编号为16787458。