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。(苏塞克斯大学提供)

苏塞克斯大学的物理学家已经开发了一种极薄、大面积的太赫兹半导体表面源,它只由几个原子层组成,并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,无法用标准电子学处理,而且直到最近,还无法用光学技术处理。这对于300GHz以上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300GHz,这从根本上仍然超出了当前电子产品的限制。苏塞克斯的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,迄今为止已经实现了最亮和最薄的表面半导体源。他们新开发的发射区域是一个太赫兹的半导体源,比之前实现的薄10倍,具有相当甚至更好的性能。

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。

萨塞克斯大学欧洲研究理事会计时项目的研究员卢克·彼得斯博士说:“把太赫兹源放在难以接近的地方的想法在科学上有很大吸引力,但在实践中非常具有挑战性。”太赫兹辐射可以在材料科学、生命科学和安全方面发挥最大的作用。然而,对于大多数现有技术来说,它仍然是陌生的,包括那些与日常物品对话的设备,这些设备是迅速扩张的物联网的一部分。这一成果是我们将太赫兹功能更接近我们日常生活的道路上的一个里程碑。”

太赫兹波在电磁波谱中位于微波和红外之间,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,可以像x射线一样,很容易穿透普通的材料,如纸、衣服和塑料,从而揭示物体的材料组成,但不会造成伤害。太赫兹成像使“看到”物体的分子组成和区分不同材料成为可能。此前的发展已经展示了太赫兹摄像头的潜在应用,它可能会在机场安检和医疗扫描仪方面带来变革,比如那些用于检测皮肤癌的扫描仪。

研究太赫兹技术的科学家面临的最大挑战之一是,人们普遍认为的“强太赫兹源”与灯泡等相比,既微弱又笨重。在许多情况下,需要非常奇特的材料,如非线性晶体,使它们笨重和昂贵。这一需求为与其他技术(如传感器和超快通信)的集成带来了后勤方面的挑战。

苏塞克斯研究小组通过从极薄的材料(大约25层原子)开发太赫兹源克服了这些限制。通过用两种不同类型的激光照射一个电子级半导体,每一种激光都以不同的频率或颜色振荡,他们能够激发出太赫兹的短脉冲辐射。

这一科学突破是本世纪初基于双色激光器的太赫兹源首次展示以来,该领域的科学家们一直在寻求的。双色太赫兹源基于特殊的混合物的气体,如氮,氩,或氪,是今天可用的最好的性能来源。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。