Фізики запропонували модифікацію черенківського детектора, що збільшує його чутливість навіть для високих показників заломлення середовищ, в яких поширюються релятивістські частинки. В основі нового детектора лежить широкосмуговий кутовий фільтр, що складається з набору одномірних фотонних кристалів з різним періодом. Дослідження опубліковано в.
Випромінювання Черенкова (або Вавілова - Черенкова) виникає в той момент, коли заряджена релятивістська частинка поширюється зі швидкістю, що перевищує фазову швидкість світла середовища, в якому вона рухається. Простіше кажучи, швидкість частинки повинна бути більшою, ніж, поділене на показник заломлення. За відкриття цього випромінювання Черенковим і за його пояснення Таммом і Франком була присуджена Нобелівська премія з фізики за 1958 рік.
Це відкриття дозволило створити черенківські детектори, які активно застосовуються у фізиці високих енергій та астрофізиці. Суть їхньої роботи полягає у вимірюванні кута, під яким виходить випромінювання. Косинус цього кута дорівнює відношенню фазової швидкості світла до швидкості частинки. Отже, чим нижче показник заломлення, тим нижче поріг по швидкості частинок, які детектор може побачити.
Однак є і зворотний бік: чим вище показник заломлення, тим складніше розрізняти об'єкти з близькими швидкостями. Ця проблема особливо актуальна для дуже швидких частинок, для яких доводиться будувати величезні газові камери з близькими до одиниці показниками заломлення. Це, в свою чергу, призводить до низьких інтенсивностей самого випромінювання. На сьогоднішній день запропоновано кілька ідей, як поліпшити характеристики черенківських детекторів за допомогою різноманітних елементів нанофотоники і метаматеріалів, але всі переваги, що досягаються таким чином, реалізуються тільки в дуже вузьких діапазонах частот.
Наступним кроком у цьому напрямку стала робота команди фізиків з шести країн за участю Джона Джоаннопулоса (John Joannopoulos) з Массачусетського технологічного інституту. Вони запропонували новий спосіб детектування черенківського випромінювання, додавши на його шляху широкосмуговий кутовий фільтр, виготовлений з послідовності одномірних фотонних кристалів, з однаковими компонентами, але змінним періодом і числом шарів. Ідея методу заснована добре відомому оптичному ефекті, який полягає в тому, що при деякому вугіллі падіння світла на кордон розділу двох діелектриків, званому кутом Брюстера, переломлене світло виявляється частково поляризованим. Запропонований авторами фільтр пропускає поляризоване світло, що поширюється тільки у вузькому діапазоні кутів. При цьому чутливістю фільтра можна легко керувати в широкому діапазоні частот заміною компонентів фотонних кристалів.
У варіанті, який описаний в роботі, частинки рухаються паралельно площині фільтра, випускаючи черенківське випромінювання в конус, кут якого пов'язаний з їх швидкістю. Нижче за площиною фільтра розташовано площину детектування. З усього конуса фільтр відсіває невелику ділянку, яка характеризується кутом між тангенціальною компонентою хвильового вектора, що лежить у площині детектування, і швидкістю частинки. В результаті по ходу руху частинки на площині детектування залишається два паралельних сліди, відстань між якими пов'язана з її швидкістю через величину, звану псевдопоказник заломлення. Він відіграє таку ж роль, як і звичайний показник заломлення в традиційних детекторах, однак він дуже гнучко залежить від діелектричних проникностей компонент фільтра. Наприклад, якщо виготовляти фотонні кристали з шарів SiO2 (^ = 2,18) і Al2O3 (^ = 3,07), то псевдопоказник заломлення дорівнюватиме 1,13, тоді як для ПММА (^ = 2,1904) і полімера THV 221AZ (^ = 1,8578) він становить 1,0026.
Фізики провели обчислення для порівняння чутливості свого детектора, який вони назвали детектором Брюстера - Черенкова, з традиційними кільцевими детекторами. Вони моделювали випромінювання від електрону, піону, каона і протона, що рухаються з різними імпульсами, і переконалися, що підхід, заснований на використанні псевдопоказника заломлення, дійсно дає переваги.
Автори також звернули увагу на те, що редукування хвильового фронту за допомогою фільтра може знижувати число фотонів, що долітають до детектора. Їх обчислення показали, що для ситуації, коли на кільцевий детектор прилітає 20 фотонів від частинки з імпульсом, рівним двом гігаелектронвольт на швидкість світла, для детектора Брюстера - Черенкова це число різниться залежно від типів частинок: 5 для електронів, 7 для кайонів і 26 для протонів.
Фізики відзначають, що ще однією важливою перевагою запропонованого ними детектора стало зняття сильних обмежень на показник переломлення речовини, в якій летять частинки. Збереження колишньої чутливості в поєднанні з високим показником заломлення дозволить збільшити число реєстрованих фотонів, а також підвищити поріг виявлення релятивістських частинок за швидкістю.
Фотонні кристали знаходять застосування в різних областях фізики. Раніше ми писали, як з їх допомогою створили джерело надпланківського випромінювання і навіть запропонували впливати на періодичний закон хімічних елементів (про це ми розповідали в блозі).