重大進展：太赫茲波離普及不遠了！微波和紅外線早已進入日常生活

太赫茲波在科學技術中正變得越來越重要，太赫茲使科學家們能夠了解未來材料的性能，測試汽車涂料和屏幕封套的質量，但是仍然存在很多挑戰(zhàn)。德累斯頓-羅森多夫大學(HZDR)、德累斯頓理工大學和康斯坦茨大學的一個研究小組現(xiàn)在已經(jīng)取得了重大進展，研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種鍺組件，它可以產(chǎn)生短太赫茲脈沖，具有一個有利的特性：脈沖具有極寬的頻譜。

因此可以同時提供許多不同的太赫茲頻率，其研究成果發(fā)表在《光：科學與應用》期刊上，由于已經(jīng)可以使用半導體行業(yè)中已經(jīng)使用的方法來制造元件，這一開發(fā)有望在研究和技術方面獲得廣泛的應用。

就像光一樣，太赫茲波也被歸類為電磁輻射，在光譜中，它們正好落在微波和紅外輻射之間。但是，雖然微波和紅外線早已進入我們的日常生活，但太赫茲波的使用才剛剛開始。原因是，自本世紀初以來，專家們只能構建出合理可接受的太赫茲波來源。

但這些發(fā)射器仍然不是完美的，因為它們相對較大和昂貴，它們發(fā)出的輻射并不總是具有所需的特性?，F(xiàn)在已建立的一種產(chǎn)生方法是基于砷化鎵晶體，如果用短激光脈沖照射這種半導體晶體，就會形成砷化鎵載流子。

這些電荷通過施加電壓來加速，電壓強制產(chǎn)生太赫茲波-基本上與VHF發(fā)射機桅桿中移動的電荷產(chǎn)生無線電波的機制相同。HZDR物理學家哈拉爾德·施耐德博士解釋說：然而，這種方法有一些缺點：它只能用相對昂貴的特殊激光器來操作。

使用貴金屬

用用于光纖通信的那種標準激光器，它是行不通的。另一個缺點是砷化鎵晶體只提供相對窄帶的太赫茲脈沖，因此頻率范圍有限，這大大限制了應用領域。這就是施耐德和研究團隊把賭注押在另一種材料上的原因（半導體鍺）。有了鍺，就可以使用被稱為光纖激光器價格較低的激光器。此外，鍺晶體非常透明，因此有助于發(fā)射非常寬的脈沖。

但是，到目前為止，遇到了一個問題：如果用短激光脈沖照射純鍺，半導體中的電荷需要幾微秒才能消失，只有到那時，晶體才能吸收下一個激光脈沖。然而，今天的激光可以以幾十納秒的間隔發(fā)射脈沖，這對于鍺來說，這是一個太快的發(fā)射序列。為了克服這一困難，科學家們尋找了一種方法，使鍺中的電荷更快地消失，并在一種重要的貴金屬黃金中找到了答案。用離子加速器將金原子射入鍺晶體，黃金穿透晶體深達100納米。

然后，科學家們將晶體在900攝氏度的溫度下加熱了幾個小時，熱處理保證了金原子均勻分布在鍺晶體中。當研究團隊用超短激光脈沖照射胡椒鍺時，成功開始了：不是在晶體中徘徊幾微秒，電荷載流子在不到兩納秒內(nèi)再次消失，大約比以前快了1000倍。比喻地說，黃金的作用就像一個陷阱，有助于捕捉和中和指控，現(xiàn)在鍺晶體可以用高重復頻率的激光脈沖轟擊，而且還能正常工作。

廉價制造成為可能

新方法使太赫茲脈沖具有極寬的帶寬：不再使用已建立的砷化鎵技術的7太赫茲，而是現(xiàn)在的10倍-70太赫茲。研究一舉獲得了廣泛、連續(xù)、無間隙的頻譜，這意味著科學家手頭有一個真正多用途的資源，可以用于最多樣化的應用。另一個好處是，鍺可以有效地使用與微芯片相同的技術進行加工，與砷化鎵不同，鍺與硅兼容。由于新部件可以與標準光纖激光器一起操作，因此可以使這項技術相當微型和便宜。

這應該會使摻金鍺成為一個有趣的選擇，不僅用于科學應用，如詳細分析石墨烯等創(chuàng)新的二維材料，而且還用于醫(yī)學和環(huán)境技術的應用。例如，人們可以想象傳感器通過太赫茲光譜追蹤大氣中的某些氣體，今天的太赫茲源仍然太貴，不能達到這個目的，德累斯頓-羅森多夫開發(fā)的新方法，可能有助于在未來使這樣的環(huán)境傳感器變得更便宜。

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博科園｜研究/來自：亥姆霍茲德國研究中心協(xié)會

參考期刊《光：科學與應用》

DOI: 10.1038/s41377-020-0265-4

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