新方法朝着制造太赫兹波激光的方向迈出重要一步学术资讯

研究人员证实，利用汞-镉-碲合金较容易产生太赫兹波。

对于特殊辐射源来说，“Landau-level激光”是一种令人兴奋的概念。它可能可以高效地产生太赫兹波，用于材料穿透和数据传输。然而，此前几乎所有的太赫兹波激光的尝试都以失败告终。eurekalert.org网站报道，由德国海尔霍兹德累斯顿研究中心（HZDR）带领的国际研究团队朝着制造太赫兹波激光的正确方向迈出了重要一步。相关研究成果发布于《自然•光子学》杂志。

太赫兹波和光都是电磁辐射，其频率介于微波和红外辐射之间。两者的特殊性质具有重大的技术和科学意义：基础研究人员可借此研究晶格振荡和自旋波的传播。HZDR研究人员Stephan Winnerl解释说：“太赫兹波还可以穿透许多不透明的物质，例如衣服、塑料和纸张。”目前，太赫兹扫描仪已作为有害的X射线扫描仪的替代品用于机场安检，以检测乘客是否将危险品藏匿于衣服中。由于太赫兹波的频率比无线电波高，它在数据传输领域也有潜在应用价值。以无线局域网技术为例，其工作频率为2~5千兆赫，而太赫兹的工作频率高出上千倍。Winnerl说：“虽然太赫兹波的研究取得了一些进展，但波的产生仍然是一个巨大的挑战。如何制造紧凑、强大且可调谐的太赫兹激光是困扰科学家们的难题。”

激光是由激光材料中的电子产生的。根据量子效应，被激发的电子虽然可以发出光，但它们只能吸收特定部分的能量。因此，光也会以特定的颜色和聚焦光束发出。Landau-level激光的特殊之处在于可以利用磁场灵活调整电子的能级，能级反过来决定了电子发射的频率，从而使激光可以调谐。然而，这样的激光还不存在。Winnerl解释说：“问题在于，电子将能量传递给其他电子，而非发射光波。”科学家们称这种物理过程为“俄歇效应”。令他们失望的是，这种现象甚至也会发生在石墨烯中。此前，他们曾对石墨烯寄予厚望，但这种二维材料在HZDR的实验中表现出了较强的俄歇散射。

因此，研究人员们尝试了一种常用于高灵敏度热成像相机的材料：由汞、镉和碲组成的重金属合金（HgCdTe）。HgCdTe的特点是研究人员可以非常精确地控制汞、镉和碲的含量，进而使“带隙”的调整成为可能。HgCdTe的性质与石墨烯相似，但不存在强俄歇散射的问题。Winnerl说：“简单地说，电子无法找到其他能吸收适当能量的电子，只能以科学家们想要的方式释放能量，产生太赫兹辐射。”

研究人员在实验中观察到，施加电流时，HgCdTe发出了太赫兹波。通过调节一个强度仅200毫特斯拉的外加磁场，研究人员能够在1~2太赫兹内改变发射波的频率。Winnerl说：“这还不是一种激光，但它很像太赫兹LED。尽管会颇费周折，但我们应该将其扩展到激光领域。”下一阶段，除考虑拓展问题外，研究人员还需要克服低温冷却的限制，以使该技术更具实际价值。

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编译：雷鑫宇

审稿：西莫

责编：唐林芳

期刊来源：《自然•光子学》

期刊编号：1749-4885

原文链接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-08/hd-alf081619.php