新方法朝著製造太赫茲波激光的方向邁出重要一步

研究人員證實，利用汞-鎘-碲合金較容易產生太赫茲波。

對於特殊輻射源來說，「Landau-level激光」是一種令人興奮的概念。它可能可以高效地產生太赫茲波，用於材料穿透和數據傳輸。然而，此前幾乎所有的太赫茲波激光的嘗試都以失敗告終。eurekalert.org網站報道，由德國海爾霍茲德累斯頓研究中心（HZDR）帶領的國際研究團隊朝著製造太赫茲波激光的正確方向邁出了重要一步。相關研究成果發佈於《自然?光子學》雜誌。

太赫茲波和光都是電磁輻射，其頻率介於微波和紅外輻射之間。兩者的特殊性質具有重大的技術和科學意義：基礎研究人員可藉此研究晶格振蕩和自旋波的傳播。HZDR研究人員Stephan Winnerl解釋說：「太赫茲波還可以穿透許多不透明的物質，例如衣服、塑料和紙張。」目前，太赫茲掃描儀已作為有害的X射線掃描儀的替代品用於機場安檢，以檢測乘客是否將危險品藏匿於衣服中。由於太赫茲波的頻率比無線電波高，它在數據傳輸領域也有潛在應用價值。以無線區域網技術為例，其工作頻率為2~5千兆赫，而太赫茲的工作頻率高出上千倍。Winnerl說：「雖然太赫茲波的研究取得了一些進展，但波的產生仍然是一個巨大的挑戰。如何製造緊湊、強大且可調諧的太赫茲激光是困擾科學家們的難題。」

激光是由激光材料中的電子產生的。根據量子效應，被激發的電子雖然可以發出光，但它們只能吸收特定部分的能量。因此，光也會以特定的顏色和聚焦光束髮出。Landau-level激光的特殊之處在於可以利用磁場靈活調整電子的能級，能級反過來決定了電子發射的頻率，從而使激光可以調諧。然而，這樣的激光還不存在。Winnerl解釋說：「問題在於，電子將能量傳遞給其他電子，而非發射光波。」科學家們稱這種物理過程為「俄歇效應」。令他們失望的是，這種現象甚至也會發生在石墨烯中。此前，他們曾對石墨烯寄予厚望，但這種二維材料在HZDR的實驗中表現出了較強的俄歇散射。

因此，研究人員們嘗試了一種常用於高靈敏度熱成像相機的材料：由汞、鎘和碲組成的重金屬合金（HgCdTe）。HgCdTe的特點是研究人員可以非常精確地控制汞、鎘和碲的含量，進而使「帶隙」的調整成為可能。HgCdTe的性質與石墨烯相似，但不存在強俄歇散射的問題。Winnerl說：「簡單地說，電子無法找到其他能吸收適當能量的電子，只能以科學家們想要的方式釋放能量，產生太赫茲輻射。」

研究人員在實驗中觀察到，施加電流時，HgCdTe發出了太赫茲波。通過調節一個強度僅200毫特斯拉的外加磁場，研究人員能夠在1~2太赫茲內改變發射波的頻率。Winnerl說：「這還不是一種激光，但它很像太赫茲LED。儘管會頗費周折，但我們應該將其擴展到激光領域。」下一階段，除考慮拓展問題外，研究人員還需要克服低溫冷卻的限制，以使該技術更具實際價值。

科界原創

編譯：雷鑫宇

審稿：西莫

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