[论文解读] Low-velocity-favored transition radiation

Jialin Chen, Ruoxi Chen+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2022

Strong Light-Matter Interactions被引用 4

一句话总结

该论文发现，超低速带电粒子（v/c < 0.001）的渡越辐射可表现出与相对论性粒子（v/c ≈ 0.999）相当的辐射强度，这违背了辐射随速度降低而减弱的常规规律。该现象源于介电常数接近零（epsilon-near-zero）材料中费雷勒-贝雷曼模态的激发，使光子提取效率比高速粒子高出高达八个数量级。

ABSTRACT

When a charged particle penetrates through an optical interface, photon emissions emerge - a phenomenon known as transition radiation. Being paramount to fundamental physics, transition radiation has enabled many applications from high-energy particle identification to novel light sources. A rule of thumb in transition radiation is that the radiation intensity generally decreases with the particle velocity v; as a result, low-energy particles are not favored in practice. Here we find that there exist situations where transition radiation from particles with extremely low velocities (e.g. v/c&lt;0.001) exhibits comparable intensity as that from high-energy particles (e.g. v/c=0.999), where c is light speed in free space. The comparable radiation intensity implies an extremely high photon extraction efficiency from low-energy particles, up to eight orders of magnitude larger than that from high-energy particles. This exotic phenomenon of low-velocity-favored transition radiation originates from the excitation of Ferrell-Berreman modes in epsilon-near-zero materials. Our findings may provide a promising route towards the design of integrated light sources based on low-energy electrons and specialized detectors for beyond-standard-model particles.

研究动机与目标

• 研究超低速带电粒子的渡越辐射强度超过高速粒子的条件。
• 识别使超相对论性和非相对论性粒子均能产生强辐射的物理机制。
• 探索介电常数接近零材料在增强渡越辐射以用于集成光源和粒子探测方面的潜力。
• 挑战低能粒子在渡越辐射应用中无效的常规假设。

提出的方法

• 对带电粒子穿过真空与介电常数接近零（ENZ）材料界面时的渡越辐射进行理论分析。
• 模拟ENZ界面处表面模态（特别是费雷勒-贝雷曼模态）的激发。
• 通过数值模拟辐射强度随粒子速度的变化，显示其呈现非单调行为，且在低速时达到峰值。
• 利用麦克斯韦方程和边界条件推导辐射谱和辐射功率。
• 比较ENZ介质中低速（v/c < 0.001）与高速（v/c ≈ 0.999）粒子的辐射效率。
• 分析介电函数在零附近对增强近场耦合和辐射效率的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 超低速粒子（v/c < 0.001）的渡越辐射强度能否与高度相对论性粒子（v/c ≈ 0.999）相当？
• RQ2 在介电常数接近零的材料中，何种物理机制使低速粒子能产生强辐射？
• RQ3 为何在ENZ介质中，辐射强度并未随粒子速度降低而单调减小，与常规预期相反？
• RQ4 费雷勒-贝雷曼模态的激发如何影响渡越辐射中的光子提取效率？
• RQ5 该现象对集成光源和低能粒子探测器的实际应用有何意义？

主要发现

• 超低速粒子（v/c < 0.001）的渡越辐射强度可与高度相对论性粒子（v/c ≈ 0.999）相当，违背了标准的速度依赖规律。
• 该现象源于真空与介电常数接近零材料界面处费雷勒-贝雷曼模态的激发。
• 低能粒子的光子提取效率比同种介质中高能粒子高出最多八个数量级。
• 辐射谱对粒子速度呈现非单调依赖关系，峰值强度出现在极低速度处。
• 该效应在介电常数接近零的材料中具有鲁棒性，其中表面模态显著增强近场耦合与辐射发射。
• 该机制为设计紧凑高效的光源以及探测弱相互作用粒子的超灵敏探测器开辟了新途径。