离让太赫兹技术应用于现实世界又近了一步

诸平

Wladislaw Michailow showing device in the cleanroom, and a terahertz detector after fabrication. Credit: Wladislaw Michailow

据英国剑桥大学（University of Cambridge）2022年5月23日提供的消息，研究人员在二维导电系统中发现了一种新的效应，有望改善太赫兹探测器（terahertz detector）的性能（One step closer to making terahertz technology usable in the real world）。上述图片是瓦迪斯劳·米夏罗（Wladislaw Michailow）在无尘室展示了装置，以及一个组装后的太赫兹探测器。

剑桥大学卡文迪什实验室（Cavendish Laboratory）的一组科学家与德国奥格斯堡大学(Universities of Augsburg, Germany)和英国兰卡斯特大学(University of Lancaster)的同事们发现，当二维电子系统暴露在太赫兹波(terahertz waves)中时，会产生一种新的物理效应。

首先，太赫兹波是什么?“我们使用传输微波辐射（microwave radiation）的移动电话进行交流，并使用红外相机进行夜视。太赫兹是介于微波和红外辐射之间的一种电磁辐射。”剑桥大学卡文迪什实验室半导体物理小组（Semiconductor Physics Group at the Cavendish Laboratory of the University of Cambridge）负责人大卫·里奇教授（Prof. David Ritchie）解释说:“但目前，这种类型的辐射源和探测器缺乏廉价、高效和易于使用，这阻碍了太赫兹技术的广泛应用。”

2002年，来自剑桥大学卡文迪什实验室半导体物理小组的研究人员与来自意大利比萨和都灵（Pisa and Torino in Italy）的研究人员首次演示了太赫兹频率的激光器的工作，这是一种量子级联激光器。从那时起，该小组继续研究太赫兹物理和技术，目前正在研究和开发功能太赫兹器件，结合超材料（metamaterials）形成调制器（modulators）以及新型探测器。

如果能够解决缺乏可用设备的问题，太赫兹辐射将在安全、材料科学、通信和医学等领域有许多有用的应用。例如，太赫兹波可以对肉眼无法看到的癌变组织进行成像。它们可以用于新一代安全快速的机场扫描仪，使其能够区分药物和非法药物和爆炸物，它们还可以用于实现比最先进的更快的无线通信。

那么，最近的发现是关于什么的呢?“我们正在开发一种新型的太赫兹探测器，”剑桥大学三一学院的初级研究员（Junior Research Fellow at Trinity College Cambridge）瓦迪斯劳·米夏罗博士说，“但当测量它的性能时，它显示出的信号比理论上预期的要强烈得多。所以我们想出了一个新的解释。”

正如科学家们所说，这一解释在于光与物质相互作用的方式。在高频率下，物质以单粒子光子的形式吸收光。这种解释，首先由爱因斯坦提出，形成了量子力学的基础，并解释了光电效应。这种量子光激发（quantum photoexcitation）就是我们智能手机的摄像头探测光线的方式;它也是太阳能电池中利用光发电的物质。

众所周知的光电效应是指通过入射光子从导电材料(金属或半导体)释放电子。在三维空间中，电子可以被紫外线或X射线范围内的光子发射到真空中，或者被释放到中红外到可见范围内的介电介质中。新奇之处在于发现了一种太赫兹范围的量子光激发过程，类似于光电效应。这项研究的第一作者瓦迪斯劳·米夏罗博士解释说:“到目前为止，人们还不清楚这样的效应可以在高导电性的二维电子气体中以低得多的频率存在，但我们已经能够通过实验证明这一点。”这一效应的定量理论是由德国奥格斯堡大学（University of Augsburg, Germany）的一位同事提出的，这个国际研究团队于2020年4月15日已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表了他们的研究结果——Wladislaw Michailow, Peter Spencer, Nikita W. Almond, Stephen J. Kindness, Robert Wallisthomas A. Mitchell, Riccardo Degl’Innocenti, Sergey A. Mikhailov, Harvey E. Beere, David A. Ritchie. An in-plane photoelectric effect in two-dimensional electron systems for terahertz detection, Science Advances, 2022, 8(15). DOI: 10.1126/sciadv.abi8398. Published 15 Apr 2022. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi8398

研究人员据此将这种现象命名为“面内光电效应（"in-plane photoelectric effect）”。在相应的论文中，科学家们描述了利用这种效应进行太赫兹探测的几个好处。特别是，由“平面内光电效应（in-plane photoelectric effect）”产生的入射太赫兹辐射产生的光响应的幅度远远高于迄今已知的其他机制产生太赫兹光响应的预期。因此，科学家们期望这种效应能够制造出具有更高灵敏度的太赫兹探测器。

大卫·里奇教授总结道:“这使我们离让太赫兹技术（terahertz technology）在现实世界中可用又近了一步。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

用于太赫兹波探测的共振隧道二极管振荡器（Resonant tunneling diode oscillators for terahertz-wave detection）

Abstract

Many mid- and far-infrared semiconductor photodetectors rely on a photonic response, when the photon energy is large enough to excite and extract electrons due to optical transitions. Toward the terahertz range with photon energies of a few milli–electron volts, classical mechanisms are used instead. This is the case in two-dimensional electron systems, where terahertz detection is dominated by plasmonic mixing and by scattering-based thermal phenomena. Here, we report on the observation of a quantum, collision-free phenomenon that yields a giant photoresponse at terahertz frequencies (1.9 THz), more than 10-fold as large as expected from plasmonic mixing. We artificially create an electrically tunable potential step within a degenerate two-dimensional electron gas. When exposed to terahertz radiation, electrons absorb photons and generate a large photocurrent under zero source-drain bias. The observed phenomenon, which we call the “in-plane photoelectric effect,” provides an opportunity for efficient direct detection across the entire terahertz range.