重大进展：太赫兹波离普及不远了！微波和红外线早已进入日常生活

太赫兹波在科学技术中正变得越来越重要，太赫兹使科学家们能够了解未来材料的性能，测试汽车涂料和屏幕封套的质量，但是仍然存在很多挑战。德累斯顿-罗森多夫大学(HZDR)、德累斯顿理工大学和康斯坦茨大学的一个研究小组现在已经取得了重大进展，研究人员已经开发出一种锗组件，它可以产生短太赫兹脉冲，具有一个有利的特性：脉冲具有极宽的频谱。

因此可以同时提供许多不同的太赫兹频率，其研究成果发表在《光：科学与应用》期刊上，由于已经可以使用半导体行业中已经使用的方法来制造元件，这一开发有望在研究和技术方面获得广泛的应用。

就像光一样，太赫兹波也被归类为电磁辐射，在光谱中，它们正好落在微波和红外辐射之间。但是，虽然微波和红外线早已进入我们的日常生活，但太赫兹波的使用才刚刚开始。原因是，自本世纪初以来，专家们只能构建出合理可接受的太赫兹波来源。

但这些发射器仍然不是完美的，因为它们相对较大和昂贵，它们发出的辐射并不总是具有所需的特性。现在已建立的一种产生方法是基于砷化镓晶体，如果用短激光脉冲照射这种半导体晶体，就会形成砷化镓载流子。

这些电荷通过施加电压来加速，电压强制产生太赫兹波-基本上与VHF发射机桅杆中移动的电荷产生无线电波的机制相同。HZDR物理学家哈拉尔德·施耐德博士解释说：然而，这种方法有一些缺点：它只能用相对昂贵的特殊激光器来操作。

使用贵金属

用用于光纤通信的那种标准激光器，它是行不通的。另一个缺点是砷化镓晶体只提供相对窄带的太赫兹脉冲，因此频率范围有限，这大大限制了应用领域。这就是施耐德和研究团队把赌注押在另一种材料上的原因（半导体锗）。有了锗，就可以使用被称为光纤激光器价格较低的激光器。此外，锗晶体非常透明，因此有助于发射非常宽的脉冲。

但是，到目前为止，遇到了一个问题：如果用短激光脉冲照射纯锗，半导体中的电荷需要几微秒才能消失，只有到那时，晶体才能吸收下一个激光脉冲。然而，今天的激光可以以几十纳秒的间隔发射脉冲，这对于锗来说，这是一个太快的发射序列。为了克服这一困难，科学家们寻找了一种方法，使锗中的电荷更快地消失，并在一种重要的贵金属黄金中找到了答案。用离子加速器将金原子射入锗晶体，黄金穿透晶体深达100纳米。

然后，科学家们将晶体在900摄氏度的温度下加热了几个小时，热处理保证了金原子均匀分布在锗晶体中。当研究团队用超短激光脉冲照射胡椒锗时，成功开始了：不是在晶体中徘徊几微秒，电荷载流子在不到两纳秒内再次消失，大约比以前快了1000倍。比喻地说，黄金的作用就像一个陷阱，有助于捕捉和中和指控，现在锗晶体可以用高重复频率的激光脉冲轰击，而且还能正常工作。

廉价制造成为可能

新方法使太赫兹脉冲具有极宽的带宽：不再使用已建立的砷化镓技术的7太赫兹，而是现在的10倍-70太赫兹。研究一举获得了广泛、连续、无间隙的频谱，这意味着科学家手头有一个真正多用途的资源，可以用于最多样化的应用。另一个好处是，锗可以有效地使用与微芯片相同的技术进行加工，与砷化镓不同，锗与硅兼容。由于新部件可以与标准光纤激光器一起操作，因此可以使这项技术相当微型和便宜。

这应该会使掺金锗成为一个有趣的选择，不仅用于科学应用，如详细分析石墨烯等创新的二维材料，而且还用于医学和环境技术的应用。例如，人们可以想象传感器通过太赫兹光谱追踪大气中的某些气体，今天的太赫兹源仍然太贵，不能达到这个目的，德累斯顿-罗森多夫开发的新方法，可能有助于在未来使这样的环境传感器变得更便宜。

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博科园｜研究/来自：亥姆霍兹德国研究中心协会

参考期刊《光：科学与应用》

DOI: 10.1038/s41377-020-0265-4

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