反常色散介质中实现非线性切伦科夫辐射

2012年6月1日出版的《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志刊登了上海交通大学物理系陈险峰教授课题组的一项题为 “Nonlinear Cherenkov radiation in an anomalous dispersive medium”的最新研究成果。该研究表明，当激光进入介质并激发非线性极化波时，特定的微纳结构可以对该极化波的相位传播进行可控的加速，从而实现“超光速”这一特殊物理过程，并产生奇异的光辐射现象。波的传播分为群速度和相速度。群速度超光速在原理上受爱因斯坦著名的相对论所禁忌，因此不能在自由空间中实现。但相对论并不禁忌相速度超光速，因而其在自然界中普遍存在。如由著名的德布罗意物质波方程可推导出具有波粒二象性的基本粒子如电子、质子等，其相速度均超过光速。德布罗意将其归结为四维空间在三维世界上的投影，即维度缺失，导致了四维空间中相速度并未超过光速的粒子在三维世界中表现出“超光速”的现象。与此类似，课题组的任怀瑾、邓学伟、郑远林、安宁四位博士研究生发现利用特定微纳结构可以使介质中自由传播的非线性极化波发生维度缺失，在理论上预期了当传播由三维退化为二维和一维时，非线性极化波将出现相速度超光速的现象。根据惠更斯原理，相速度超光速将引发切伦科夫辐射（类似于战机超音速飞行时引发的音障）。这一点得到了实验观测证实即通过人为改变极化波的相速度，可以实现可控的光辐射输出。同时由于相速度可以任意加快，实验证明了在传统的禁忌区域同样可以产生切伦科夫辐射。物理评论快报杂志的审稿人对这项工作这样评论道：“我相信这项工作最重要的影响并不是作者如何制备样品或产生反常色散的切伦科夫辐射现象，而是蕴含在这背后的物理思想和实验方法。我同样坚信这些思想和概念能够被（并且极有希望很快被）方便地用于超光速其他领域和现象的研究。” 这项研究由陈险峰教授课题组独立提出并实验证实，将拓展了人们对非线性光学过程及其应用的认识。（来源：上海交通大学）