自由电子与石墨烯双曲光栅相互作用：实现芯片级太赫兹辐射的新途径

当自由电子遇上石墨烯双曲光栅，会擦出怎样的科学火花？

在光电技术飞速发展的今天，科学家们一直在寻找新型的光源和探测器，特别是在太赫兹频段—— 这个介于微波和红外之间的电磁波段，具有巨大的应用潜力却难以高效产生和探测。

近年来，自由电子与石墨烯双曲光栅的相互作用研究为解决这一难题提供了新的可能。今天，让我们一起走进这一前沿科学领域，探寻其中的奥秘。

一、什么是石墨烯双曲光栅？

要理解石墨烯双曲光栅，我们首先需要拆解两种关键概念：石墨烯和双曲材料。

1. 石墨烯：卓越的二维材料

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构，以其极致的电子和光学性质闻名：

• 载流子迁移率极高，远超传统半导体；
• 电导率可通过化学掺杂、门电压等方式灵活调节；
• 兼具透光性与导电性，是光电器件的理想候选材料。

2. 双曲材料：各向异性的 “光场调控师”

双曲材料是一类特殊的光学材料，核心特征是光学各向异性：对不同方向传播的光表现出截然不同的光学响应。这种特性使其能够：

• 支持高度局域的光学模式；
• 将光场限制在极小体积内，显著增强光与物质的相互作用。

3. 石墨烯双曲光栅：1+1>2 的结构创新

石墨烯双曲光栅结合了两者的优势，通过周期性结构设计，同时实现：

• 继承石墨烯的 “可调谐性”（电导率、化学势可调控）；
• 保留双曲材料的 “强局域光场” 特性；
• 最终形成能高效控制光传播与辐射的新型功能结构。

二、自由电子与石墨烯双曲光栅的相互作用机制

当自由电子在石墨烯双曲光栅附近运动时，会触发多种物理现象，其中最核心、最具应用价值的是切伦科夫辐射，以及衍生的 “可调谐光学拓扑转变”。

1. 切伦科夫辐射：从 “核反应堆辉光” 到 “芯片级应用”

• 基础定义：切伦科夫辐射是带电粒子在介质中以超过光在该介质中相速度运动时，发出的电磁辐射。日常生活中，核反应堆的蓝色辉光就是典型的切伦科夫辐射；
• 传统局限：传统切伦科夫辐射需要电子达到极高速度，依赖大型粒子加速器，无法小型化；
• 石墨烯双曲光栅的突破：电子科技大学刘盛纲院士团队胡旻教授课题组研究发现，在石墨烯双曲光栅中，即使电子速度较低，也能产生高效无阈值的切伦科夫辐射—— 这一特性彻底摆脱了对大型加速器的依赖，为芯片级辐射源奠定了基础。

2. 可调谐的光学拓扑转变：动态调控辐射特性

更令人兴奋的是，研究人员在该体系的切伦科夫辐射中观察到可调谐光学拓扑转变现象：

• 通过门电压控制石墨烯的化学势，可直接改变切伦科夫辐射的角度和强度；
• 这种 “主动调控能力” 为动态可重构太赫兹源提供了可能，是未来可编程太赫兹芯片的核心技术支撑。

三、突破性进展：从 “面外辐射” 到 “面内辐射”

自由电子与石墨烯双曲光栅的相互作用研究中，“辐射方向的转变” 是里程碑式突破，直接推动了集成化应用。

1. 早期研究：面外辐射的局限

早期研究聚焦于面外辐射（辐射垂直于材料表面发射），但这种辐射模式存在明显短板：

• 难以与片上波导、光子芯片等集成结构耦合；
• 辐射功率受限，无法满足高需求场景。

2. 关键突破：面内辐射的实现（2021 年）

电子科技大学课题组在国际上首次从理论上提出并验证了 “石墨烯双曲光栅中的面内高效无阈值切伦科夫辐射”，带来两大核心优势：

• 功率提升：面内辐射功率比传统面外辐射高近两个数量级；
• 集成友好：面内辐射可直接与片上波导、集成光子结构耦合，为 “全集成太赫兹芯片” 扫清了关键障碍。

四、技术优势与应用前景

自由电子与石墨烯双曲光栅的相互作用之所以受广泛关注，源于其不可替代的技术优势和广阔的应用场景。

1. 三大核心技术优势

• 高效率：能将自由电子的动能高效转化为太赫兹辐射，转换效率远超传统太赫兹源（如量子级联激光器、光电导天线）；
• 高可调谐性：通过三种方式实现全维度调控 —— 调整石墨烯化学势（门电压）、光栅结构尺寸、自由电子速度，可精准控制辐射的角度、强度和频率，这是传统光源无法实现的；
• 小型化与集成化：无需大型加速器，辐射源可实现芯片级尺寸，为太赫兹技术从 “实验室” 走向 “日常生活” 提供了可能。

2. 四大应用前景

• 太赫兹辐射源：用于安全检查（如违禁品成像）、医学成像（无电离辐射）、无损检测（工业材料缺陷检测）；
• 高灵敏度传感器：利用辐射对介质环境的高敏感性，实现微量物质检测（如生物分子、有毒气体）；
• 宽波段光电探测器：覆盖从紫外到太赫兹的广谱探测，可用于天文观测、环境监测；
• 量子信息器件：扭曲双层石墨烯在该体系中可构建双量子位器件，为量子计算、量子通信提供新型载体。

五、挑战与展望

尽管研究取得显著进展，该领域仍需突破三大核心挑战，才能实现产业化落地。

1. 当前面临的挑战

• 制造精度：石墨烯双曲光栅需纳米级加工精度（特征尺寸通常 < 100nm），大规模、低成本、高一致性的制备工艺尚未成熟。
• 热管理：自由电子与光栅相互作用会产生热量，若散热不及时，会导致石墨烯性能衰减、器件寿命缩短。
• 系统集成：如何将新型辐射源与现有电子系统（如驱动电路）、光学系统（如透镜、波导）高效集成，仍需进一步探索。

2. 发展历程与未来展望

该领域的发展速度令人瞩目，关键节点包括：

• 2012 年：电子科技大学刘盛纲院士团队首次揭示 “自由电子激发金属表面等离激元产生可见光频段相干增强切伦科夫辐射” 的机制；
• 2017 年：国际首次实验观察到 “反向切伦科夫辐射”；
• 2021 年：实现 “面内高效无阈值切伦科夫辐射”。

未来，随着制造工艺、热管理技术和集成方案的突破，该研究将为太赫兹技术、集成光子学、量子信息技术带来颠覆性创新。

六、结语

自由电子与石墨烯双曲光栅的相互作用研究，是传统自由电子物理学与前沿二维材料科学的深度融合，不仅深化了人类对 “光与物质相互作用” 的认知，更为解决太赫兹技术 “高效产生、精准调控、集成应用” 三大核心难题提供了创新路径。

也许在不久的将来，基于这一技术的太赫兹芯片会像今天的微处理器一样普及，再次改变我们的生活 —— 从更安全的安检、更精准的医疗诊断，到更高速的量子通信，都将因它而实现。

参考文献

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[1]张天宇等，“Tunable optical topological transition of Cherenkov radiation”，Photonics Research，2022

[2]张晓秋艳.自由电子激励超材料产生太赫兹辐射的研究[D].电子科技大学,2022

[3]一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，中国专利

[4]李冠海等，“Toroidal Dipole BIC-Driven Highly Robust Perfect Absorption with a Graphene-Loaded Metasurface”，Nano Letters，2023

[5]张翼鹏等，“不同响应机制下的石墨烯基光电探测器研究进展”，《发光学报》，2022

[6]Ardenghi， J. S.，“Effective interactions in twisted double-layer graphene in a microcavity”，Journal of Physics： Condensed Matter，2020

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文字丨张思源

排版丨向绍莲