超快激光图像
EPic实验室的超快激光器是实现超薄太赫兹源的重要组成部分。(由苏塞克斯大学提供)

苏塞克斯大学(University of Sussex)的物理学家开发了一种极薄、大面积的太赫兹半导体表面源,仅由几个原子层组成,与现有的电子平台兼容。

太赫兹源发出每秒万亿次振荡的短暂光脉冲。在这种规模下,它们的速度太快了,标准电子设备无法处理,而且直到最近,光学技术也无法处理它们。这对于超过300GHz极限的超高速通信设备的发展具有重大意义——比如6G移动电话技术所需要的——这仍然是目前电子产品的基本极限。苏塞克斯郡(Sussex)的Emergent Photonics (EPic)实验室的研究人员是表面太赫兹发射技术的领导者,他们已经实现了迄今为止最亮、最薄的表面半导体源。他们的新研发的发射区域是太赫兹半导体源,比之前实现的要薄10倍,具有类似甚至更好的性能。

薄层可以放置在现有对象和设备——太赫兹源可以位于的地方,否则将是不可思议的,包括日常用品如茶壶或甚至一件艺术品——开放防伪和物联网,潜力巨大以及以前不兼容的电子产品,如下一代移动电话。

苏塞克斯大学欧洲研究理事会时间项目研究员卢克·彼得斯博士说:“在难以接近的地方放置太赫兹源的想法有很大的科学吸引力,但在实践中非常具有挑战性。太赫兹辐射在材料科学、生命科学和安全领域有着极其重要的作用。然而,对于大多数现有技术来说,它仍然是陌生的,包括作为迅速扩张的物联网一部分,可以与日常物品对话的设备。这一结果是我们将太赫兹功能引入日常生活的一个里程碑。”

太赫兹波在电磁波谱中介于微波和红外之间,是研究和工业中高度寻求的一种辐射形式。它们有一种天然的能力,可以显示物体的材料组成,就像x射线一样,很容易穿透纸张、衣服和塑料等普通材料,但并不有害。太赫兹成像技术使人们能够“看到”物体的分子组成,并区分不同的材料。之前的发展已经展示了太赫兹摄像机的潜在应用,它可能在机场安检和医疗扫描仪(如用于检测皮肤癌的扫描仪)方面带来变革。

从事太赫兹技术研究的科学家面临的最大挑战之一是,通常被认为是“强太赫兹源”的物体与灯泡等物体相比,显得微弱而笨重。在许多情况下,由于需要非常奇特的材料,如非线性晶体,使得它们既笨重又昂贵。这一要求为传感器和超快通信等其他技术的集成带来了后勤方面的挑战。

通过从极薄的材料(大约25个原子层)中开发太赫兹源,Sussex团队克服了这些限制。通过用两种不同类型的激光照亮电子级半导体,每一种激光都以不同的频率或颜色振荡,它们能够引发太赫兹辐射的短脉冲发射。

自从21世纪初首次证明了基于双色激光器的太赫兹源以来,该领域的科学家们一直在寻求这一科学突破。基于氮气、氩气或氪等特殊气体混合物的双色太赫兹源是目前性能最好的源之一。在电子技术中广泛使用的半导体对于这种太赫兹产生机制来说仍然是遥不可及的。