太赫茲波在科學技術中正變得越來越重要，太赫茲使科學家們能夠了解未來材料的效能，測試汽車塗料和螢幕封套的品質，但是仍然存在很多挑戰。德累斯頓-羅森多夫大學(HZDR)、德累斯頓理工大學和康斯坦茨大學的一個研究小組現在已經取得了重大進展，研究人員已經開發出一種鍺元件，它可以產生短太赫茲脈衝，具有一個有利的特性：脈衝具有極寬的頻譜。

因此可以同時提供許多不同的太赫茲頻率，其研究成果發表在《光：科學與應用》期刊上，由於已經可以使用半導體行業中已經使用的方法來製造元件，這一開發有望在研究和技術方面獲得廣泛的應用。

就像光一樣，太赫茲波也被歸類為電磁輻射，在光譜中，它們正好落在微波和紅外輻射之間。但是，雖然微波和紅外線早已進入我們的日常生活，但太赫茲波的使用才剛剛開始。原因是，自本世紀初以來，專家們只能構建出合理可接受的太赫茲波來源。

但這些發射器仍然不是完美的，因為它們相對較大和昂貴，它們發出的輻射並不總是具有所需的特性。現在已建立的一種產生方法是基於砷化鎵晶體，如果用短鐳射脈衝照射這種半導體晶體，就會形成砷化鎵載流子。

這些電荷通過施加電壓來加速，電壓強制產生太赫茲波-基本上與VHF發射機桅杆中移動的電荷產生無線電波的機制相同。HZDR物理學家哈拉爾德·施耐德博士解釋說：然而，這種方法有一些缺點：它只能用相對昂貴的特殊鐳射器來操作。

使用貴金屬

用用於光纖通訊的那種標準鐳射器，它是行不通的。另一個缺點是砷化鎵晶體只提供相對窄帶的太赫茲脈衝，因此頻率範圍有限，這大大限制了應用領域。這就是施耐德和研究團隊把賭注押在另一種材料上的原因（半導體鍺）。有了鍺，就可以使用被稱為光纖鐳射器價格較低的鐳射器。此外，鍺晶體非常透明，因此有助於發射非常寬的脈衝。

但是，到目前為止，遇到了一個問題：如果用短鐳射脈衝照射純鍺，半導體中的電荷需要幾微秒才能消失，只有到那時，晶體才能吸收下一個鐳射脈衝。然而，今天的鐳射可以以幾十納秒的間隔發射脈衝，這對於鍺來說，這是一個太快的發射序列。為了克服這一困難，科學家們尋找了一種方法，使鍺中的電荷更快地消失，並在一種重要的貴金屬黃金中找到了答案。用離子加速器將金原子射入鍺晶體，黃金穿透晶體深達100奈米。

然後，科學家們將晶體在900攝氏度的溫度下加熱了幾個小時，熱處理保證了金原子均勻分佈在鍺晶體中。當研究團隊用超短鐳射脈衝照射胡椒鍺時，成功開始了：不是在晶體中徘徊幾微秒，電荷載流子在不到兩納秒內再次消失，大約比以前快了1000倍。比喻地說，黃金的作用就像一個陷阱，有助於捕捉和中和指控，現在鍺晶體可以用高重複頻率的鐳射脈衝轟擊，而且還能正常工作。

廉價製造成為可能

新方法使太赫茲脈衝具有極寬的頻寬：不再使用已建立的砷化鎵技術的7太赫茲，而是現在的10倍-70太赫茲。研究一舉獲得了廣泛、連續、無間隙的頻譜，這意味著科學家手頭有一個真正多用途的資源，可以用於最多樣化的應用。另一個好處是，鍺可以有效地使用與微晶片相同的技術進行加工，與砷化鎵不同，鍺與矽相容。由於新部件可以與標準光纖鐳射器一起操作，因此可以使這項技術相當微型和便宜。

這應該會使摻金鍺成為一個有趣的選擇，不僅用於科學應用，如詳細分析石墨烯等創新的二維材料，而且還用於醫學和環境技術的應用。例如，人們可以想象感測器通過太赫茲光譜追蹤大氣中的某些氣體，今天的太赫茲源仍然太貴，不能達到這個目的，德累斯頓-羅森多夫開發的新方法，可能有助於在未來使這樣的環境感測器變得更便宜。

參考期刊《光：科學與應用》

DOI: 10.1038/s41377-020-0265-4