第一作者：谢志雄

通讯作者：罗宇教授、胡昊教授

通讯单位：南京航空航天大学电子信息工程学院

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202513589

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天然材料中的有限折射率为传统切伦科夫探测器的可探测粒子动量设定了一个根本性上限。该研究通过在悬浮石墨烯结构中激发横电（TE）表面等离激元并产生切伦科夫辐射，成功突破了这一粒子探测的动量壁垒。其核心机制在于：TE表面等离激元具备接近1的模式折射率，使得切伦科夫角对高达TeV/c能区的相对论速度仍保持高灵敏度。此外，得益于TE模式极低的横向衰减率，该辐射对粒子-石墨烯间距的变化表现出卓越的鲁棒性。这一超紧凑平台兼具电可调谐能力，用于实现片上可重构的超高能粒子探测，将可探测的粒子动量上限较现有探测器提升两个数量级。

背景介绍

切伦科夫辐射凭借其与粒子速度相关的辐射角，为高能粒子识别提供了可能，但传统切伦科夫探测器性能从根本上受到宿主材料折射率的限制。要准确识别高动量粒子，需要宿主材料的折射率趋近于1。为克服这一局限，人们已提出超材料、光子晶体等现代材料技术以提高切伦科夫探测器的灵敏度。然而，现有方案多数基于复杂的多层复合结构，这为实验制备带来了巨大挑战。近期研究表明，等离激元/声子晶体结构为实现切伦科夫辐射调控提供了可行的实验平台。但其在切伦科夫探测器中的应用潜力却鲜受关注。其根本瓶颈在于传统横磁（TM）表面等离激元及声子极化激元具有高局域性，且其模式折射率显著大于1。这一特性导致二维切伦科夫辐射不仅难以提升探测灵敏度，反而被视为制约探测器性能的关键因素。因此，如何将二维切伦科夫辐射有效应用于高能粒子探测，至今仍是一个悬而未决的难题。

研究出发点

1）突破超高能粒子探测领域长期存在的动量壁垒，实现对TeV以上能量级别粒子的高效识别。

2）克服等离子激元/声子结构中近场带电粒子辐射通常面临的间距约束。

图文解析

该工作研究了高速带电粒子在悬浮石墨烯上方运动时的辐射行为（图1）。计算结果表明，TE表面等离激元切伦科夫辐射的辐射角对相对论粒子速度仍能保持高灵敏度（图2、图3）。此外，通过调控石墨烯的化学势，该研究证实了可将可探测动量范围拓展至数个TeV/c，超过传统切伦科夫探测器两个数量级（图4）。TE表面等离激元切伦科夫辐射的另一关键优势在于其对粒子-石墨烯间距的鲁棒性。即便二者间距处于微米级，其激发效率也能维持在较高水平，较TM表面等离激元的激发效率提升两个数量级以上（图5）。这种鲁棒性源于TE表面等离激元的极低横向衰减率。与之形成鲜明对比的是，要实现TM表面等离激元的高效激发，粒子运动轨迹与石墨烯片之间的距离需缩小至数纳米，这为实验带来了巨大挑战。

图1. TE表面等离子激元切伦科夫辐射原理图。(a) 结构示意图。(b) 色散曲面。(c) TE与TM表面等离激元切伦科夫辐射的截止频率。(d) TE与TM表面等离激元切伦科夫辐射的速度阈值。

图2. TE表面等离激元切伦科夫辐射的傅里叶谱。(a-c) 所研究的带电粒子速度分别为0.9999c、0.9994c和0.9989c，对应的辐射角分别为2.808°、2.144°和1.146°。

图3. 发射TE表面等离激元的带电粒子能量损失。(a) 在弛豫时间τ= 0.1 ps下，角功率谱密度随归一化粒子速度β和切伦科夫角θ的变化关系。(b) 弛豫时间对角功率谱密度的影响。

图4. 基于TE表面等离激元切伦科夫辐射的粒子探测性能。四种基本带电粒子（电子、π介子、K介子和质子）的切伦科夫角θ与粒子动量关系图。

图5. 带电粒子-石墨烯间距y₀对表面等离激元切伦科夫辐射发射强度的影响。角功率谱密度随辐射角θ和粒子-石墨烯间距y₀的变化关系：(a) TM模式；(b) TE模式。(c) TE与TM模式下的辐射峰值强度随粒子-石墨烯间距y₀的变化关系。

总结与展望

该工作通过在悬浮石墨烯结构中揭示TE表面等离激元切伦科夫辐射，进一步丰富了二维切伦科夫辐射体系。所展示的辐射特性适用于多动量范围的超高能粒子识别，其探测上限超过5 TeV/c，这是传统粒子探测器无法实现的。此外，TE表面等离激元切伦科夫辐射对粒子-石墨烯间距的变化展现出优异的稳定性，大幅降低了表面等离激元中近场带电粒子激发通常面临的严苛条件。需强调的是，该研究提出的平台具有普适性：不仅可通过TE表面等离激元实现，还能借助超薄金属片中的TM表面等离激元，或薄膜极性电介质中的TM表面声子极化激元实现，从而可在宽频率范围内工作。另一方面，尽管该研究提出的TE表面等离激元切伦科夫辐射因速度阈值较高，无法直接应用于集成自由电子光源，但可通过采用负折射率超材料作为基底等方式降低速度阈值。因此，该工作不仅为相对论粒子的片上探测开辟了可行路径，也为未来实现偏振可控的新型自由电子光源提供了思路。

课题组介绍

罗宇，男，博士，南京航空航天大学教授/博士生导师。海外高层次引进创新人才，江苏省特聘教授。2012年于帝国理工物理系取得博士学位，师从于电磁超材料之父John Pendry教授。2015至2023年在新加坡南洋理工大学执教，任光电子与生物光子中心副主任。主要从事电磁超材料、表面等离激元、纳米光子学、变换光学、拓扑光子学等前沿交叉领域研究。至今共发表SCI论文150余篇(以第一或通讯作者身份在国内外高影响力期刊发表论文50余篇)，包括1篇Nature Photonics、1篇Nature Electronics、5篇Nature Communications、1篇Physical Review Letters、2篇Advanced Materials、1篇Optica、 3篇国家科学评论（National Science Review）等，SCI引用8000余次。成果入选2024中国光学十大进展。担任Science，Nature Materials，Nature Communications等国际期刊审稿人、瑞士国家科学基金评审人。

胡昊，男，博士，南京航空航天大学教授/博士生导师。海外高层次引进青年人才，江苏省特聘教授。2020年于新加坡南洋理工大学取得博士学位。主要从事新型人工超构材料的机理及应用研究，致力于创新自由电子辐射、超材料与光子晶体、二维材料、时变材料、量子表面等离激元、拓扑物理等理论，发展片上光源、下一代小型化高能粒子探测器等新型光子器件，开创拓扑扩散学、时空拓扑学新领域。至今共发表学术论文五十余篇（SCI论文52篇）, 总引用达1000余次。以第一、共一或通讯作者身份在国内外高影响力期刊发表论文28篇，包括1篇eLight、2篇Advanced Materials、1篇Nature Communications、1篇Physical Review X、2篇Advanced Science、3篇Laser & Photonics Reviews、1篇Photonics Research、2篇ACS Photonics和1篇Nanophotonics等。目前主持国家级、省部级等科研/人才项目累计十余项。

课题组长期从事自由电子与超构材料相互作用机理及应用研究，前期相关代表性成果包括：

[1] Hao Hu^†, Xiao Lin^†, Liang Jie Wong, Qianru Yang, Dongjue Liu, Baile Zhang^*, and Yu Luo^*, “Surface Dyakonov-Cherenkov Radiation,” eLight, 2, 2 (2022). (DOI: https://doi.org/10.1186/s43593-021-00009-5)

[2] Xiao Lin^†, Hao Hu^†, Sajan Easo, Yi Yang, Yichen Shen, Kezhen Yin, Michele Piero Blago, Ido Kaminer^*, Baile Zhang^*, Hongsheng Chen, John Joannopoulos, Marin Soljacic, and Yu Luo^*, “A Brewster route to Cherenkov detectors,” Nature Communications 12, 5554 (2021). (DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-021-25822-x)

[3] Yuval Adiv^†, Hao Hu^†, Shai Tsesses^†, Raphael Dahan, Kangpeng Wang, Yaniv Kurman, Alexey Gorlach, Hongsheng Chen, Xiao Lin, Guy Bartal, and Ido Kaminer^*, “Observation of 2D Cherenkov radiation,” Physical Review X 13(1), 011002 (2023). (DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.011002)

[4] Hao Hu^†, Xiao Lin^†,*, Dongjue Liu, Hongsheng Chen, Baile Zhang^*, and Yu Luo^*, “Broadband enhancement of Cherenkov radiation using dispersionless plasmons,” Advanced Science 9(26), 2200538 (2022). (DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202200538)

[5] Hao Hu, Xiao Lin^*, Jingjing Zhang, Dongjue Liu, Patrice Genevet, Baile Zhang^* and Yu Luo^*, “Nonlocality induced Cherenkov threshold,” Laser & Photonics Reviews 14(10), 2000149 (2020). (DOI: https://doi.org/10.1002/lpor.202000149)

[6] Hao Hu^*, Xiao Lin, Guangwei Hu, Francisco J. Garcia-Vidal, and Yu Luo^*, “Enhanced Cherenkov radiation in twisted hyperbolic Van der Waals crystals,” InfoScience 2(1), e12424 (2025). (DOI: https://doi.org/10.1002/inc2.12024)

[7] Hao Hu, Dongliang Gao, Xiao Lin, Songyan Hou, Baile Zhang, Qi Jie Wang^* and Yu Luo^*, “Directing Cherenkov photons with spatial nonlocality,” Nanophotonics 9(10), 3435-3443 (2020). (DOI: https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0135)

课题组主页：http://www.nuaa-meta.cn/

原文信息

Zhixiong Xie, Xiao Lin, Song Zhu, Chunyu Huang, Yu Luo*, and Hao Hu*, “Transverse-Electric Cherenkov Radiation for TeV-Scale Particle Detection,” Advanced Science 13589 (2025).(DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202513589)