30岁获杰青资助，48岁当选院士，今日成果登上Nature！
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表面等离子子具有独特的光约束特性，有望成为未来紧凑型辐射源和集成光子学器件的基石。光和物质之间的能量转移是最近光表面波介导的自发辐射研究的基础。然而，自由电子光源所必需的自由电子相干受激发射及其动态放大过程仍需以清晰、明确和校准的方式加以揭示。
2022年11月2日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室李儒新院士和田野研究员团队合作在Nature 在线发表题为“Coherent surface plasmon polariton amplification via free-electron pumping”的研究论文，该研究提出了通过自由电子刺激发射的太赫兹表面等离子体激元的相干放大：飞秒光脉冲与初始太赫兹表面波产生同相自由电子脉冲，它们随后的相互作用相干增强太赫兹表面波。放大的基本动力学，包括辐射频率在一毫米相互作用长度上的两倍红移，通过光学泵浦探测方法被解析为电磁场剖面演化。通过将该方法扩展到适当相位匹配的电子束，理论分析预测了超辐射表面波生长，这为受激表面波光源奠定了基础，并可能促进物质操纵的手段，特别是在太赫兹波段。
总之，该研究通过对自由电子脉冲泵浦SPP相干放大的动态过程观测，阐述了自由电子与SPP作用过程中的受激放大机理。该项研究采用超快光学技术探测了自由电子受激辐射放大的全过程，研究成果指明了采用自由电子泵浦SPP实现其相干放大的全新途径，对于发展小型化/集成化的相干光源具有重要意义。
利用来自光子准粒子(可以是等离子体或声子)的光的强烈约束，现在正成为开发极其紧凑的辐射源和打破强耦合体系的先决条件。表面等离子体激元(SPPs)是电荷密度波和电磁场的混合物，可以提供急剧变化的光子密度。相应地，研究光-物质相互作用中微粒子的强度、光谱和时空演化对调控相互作用特性具有重要意义。
研究自由电子和微粒子之间相互作用的动机由来已久且多样，因为微粒子内部的光-物质相互作用可以表现出在其他情况下无法获得的非凡特性。在光学频率下，红外SPPs已被证明可以允许原子系统中的禁止跃迁，并被用于构建片上辐射源和验证光的量子性质。尽管如此，这些应用都依赖于对探针电子束的精确控制和检测(如光子诱导近场电子显微镜(PINEM))；但相反的情况——SPP场的时空表征——即使在最初被认识几十年后，仍处于萌芽状态，有待进一步探索。特别是在光频以外的光谱波段，许多声子极化子模的共振频率都存在，在远红外和太赫兹频率范围内，包括在二维材料中有效激发极化子模，以及构建太赫兹检测器和太赫兹生化传感器，都具有广泛的前景。
小型化自由电子相干光源实验方案示意图
在这方面，将SPP频率范围从红外扩展到太赫兹是很有趣的，看看可以启用哪些功能。在基本的光发射过程中，如自发辐射，传统的光-物质相互作用在SPPs忽略了不同电子之间的相位差异，因为有关相位匹配的特殊挑战。尽管获得阿秒电子脉冲已经是可行的，但这种困难仍然是SPP场中自由电子相干受激发射实验实现和表征的主要障碍。然而，太赫兹SPPs可以大大缓解这种需求：太赫兹SPPs的传播和拉伸波长特性提供了更多的自由电子束相干的耐受性。因此，一个现成的电子束为探索太赫兹粒子内部相干受激发射的前景提供了可能。
SPP受激辐射放大的实空间演化
在这里，该研究提出了一个通过自由电子刺激发射直接进入太赫兹SPP的相干太赫兹SPP光源的概念。该研究从磁场和电场近场演化的角度实验论证了太赫兹SPP的时空分辨产生、放大和失相过程，并明确地给出了相干相互作用长度超过1 mm的SPP放大动力学。在实验条件下，观测到辐射频率从0.65太赫兹到0.34太赫兹的红移并进行了理论分析。实验结果证明了自由电子在与SPPs相互作用中的受激发射。此外，该研究还从理论上证明，在相位匹配条件下，辐射功率可以进一步放大100个数量级，为自由电子SPP激光器的发展奠定了基础。
研究团队青年骨干照片
总之，该研究通过对自由电子脉冲泵浦SPP相干放大的动态过程观测，阐述了自由电子与SPP作用过程中的受激放大机理。该项研究采用超快光学技术探测了自由电子受激辐射放大的全过程，研究成果指明了采用自由电子泵浦SPP实现其相干放大的全新途径，对于发展小型化/集成化的相干光源具有重要意义。
不得不提李儒新院士的开挂人生，17岁上大学，29岁通过中科院百人计划引进回国，30岁就评为了杰青，48岁当选中国科学院院士，2021年当选发展中国家科学院院士。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05239-2
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