自人類發(fā)現(xiàn)電磁波以來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種各樣的應(yīng)用方式，從手機(jī)掃碼到打印技術(shù)，涵蓋了從紅外線到紫外線的大部分電磁波譜。但是，在這之外，還有一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域至今未能得到應(yīng)用——太赫茲波段。

太赫茲(Tera Hertz，THz)是波動(dòng)頻率單位之一，又稱為太赫，或太拉赫茲。1THz=1x10^12Hz，通常用于表示電磁波頻率。

而太赫茲波是指頻率在0.1~10 THz(波長(zhǎng)為3000～30μm)范圍內(nèi)的電磁波，在長(zhǎng)波段與毫米波相重合，在短波段與紅外光相重合，是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過(guò)渡區(qū)，也是電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)，稱為電磁波譜的“太赫茲空隙(THz gap)”

太赫茲波的波段能夠覆蓋半導(dǎo)體、等離子體，有機(jī)體和生物大分子等物質(zhì)的特征譜;利用該頻段可以加深和拓展人類對(duì)物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、信息學(xué)和生命科學(xué)中一些基本科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。該技術(shù)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、遙感、國(guó)土安全與反恐、高保密的數(shù)據(jù)通訊與傳輸、大氣與環(huán)境監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)生物信息提取以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。

但遺憾的是，目前這項(xiàng)技術(shù)并沒(méi)有落地，產(chǎn)生足以進(jìn)行實(shí)時(shí)成像和快速光譜測(cè)量的太赫茲輻射需要遠(yuǎn)低于-73.15℃或更低的溫度。這些溫度只能通過(guò)體積龐大的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些設(shè)備限制了該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境外的應(yīng)用。

不過(guò)近日，麻省理工學(xué)院和滑鐵盧大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種高功率、便攜式的量子級(jí)聯(lián)激光器，可以在實(shí)驗(yàn)室外產(chǎn)生太赫茲輻射。

該研究成果以發(fā)表在《自然光子學(xué)》(Nature Photonics)雜志上。

主導(dǎo)這項(xiàng)研究的麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授胡慶(音譯)和其團(tuán)隊(duì)表示，他們的太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器可以在高達(dá)-23.15℃的環(huán)境下工作，這意味著只需一個(gè)小型便攜式冷卻器即可產(chǎn)生太赫茲輻射。

太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器是一種嵌入芯片的微型半導(dǎo)體激光器，最早由意大利和英國(guó)研究人員發(fā)明于2002年。但是，要將其工作環(huán)境溫度提高到-73.15℃以上非常困難。直到2009年，研究人員才將溫度提高到-63.15℃。

這項(xiàng)研究再次將溫度提升。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)更精確地調(diào)整激光器的分層結(jié)構(gòu)(難度極大，有些層只有7個(gè)原子厚)，來(lái)到了零下20度攝氏度左右，基本具備了應(yīng)用的可能性。

意大利國(guó)家研究委員會(huì)納米科學(xué)研究所的凝聚態(tài)物理學(xué)家米里亞姆·維蒂耶洛(Miriam Vitiello)評(píng)價(jià)道：“這是一項(xiàng)偉大的成就，提高太赫茲激光的(工作)溫度一直是學(xué)界的長(zhǎng)期目標(biāo)”。

研究人員展示的新型激光器原型，下部為方形冷卻器(圖源：MIT)

這些激光器只有幾毫米長(zhǎng)，量子阱結(jié)構(gòu)，帶有精心定制的阱和屏障。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，電子沿著一種階梯“級(jí)聯(lián)”，每一步都發(fā)射出一個(gè)輕粒子或光子。

除了將工作溫度提高，這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之二在于將激光器內(nèi)的屏障高度增加了一倍，以防止電子泄漏，這種現(xiàn)象在高溫下往往會(huì)增加。通常來(lái)說(shuō)，勢(shì)壘電子泄露會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

因此，該團(tuán)隊(duì)在激光器中的鋁鎵砷阻擋層中加入了更多的鋁，希望能更好地限制電子。團(tuán)隊(duì)還必須防止電子以某種方式相互作用，導(dǎo)致它們通過(guò)鋁鎵砷屏障泄漏。

這項(xiàng)研究成果可以與太赫茲探測(cè)器協(xié)同工作，可能會(huì)推動(dòng)太赫茲成像儀等技術(shù)的出現(xiàn)，這些技術(shù)能夠在不進(jìn)行活檢的情況下區(qū)分皮膚癌和正常組織，或者探測(cè)貨物中隱藏的爆炸物、非法藥物和其他危險(xiǎn)物品。

編譯/前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人APP資訊組