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检测太赫兹电磁波的新理论为信息技术和医学进步带来了希望
发布时间:2022-09-26 20:48:02 阅读:251

来源:Michael Hallermayer, 德国奥格斯堡大学; 电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 张栋昌 编译

导电介质中的常规(外部)光电效应。(a) 一个典型实验的几何形状。(b) 带状结构和光子吸收过程。Vmet和Vvac是金属和真空中的导带底部;EF是金属中电子的费米能。j=Vvac-EF>0是功函数。(c) 光激发过程的动态变化。在辐射的正常入射下,电子获得了平行于表面的动量px,而为了逃离材料,它们需要一个垂直于材料-真空界面的动量分量pz(由粗品红线所示)。电子在金属中发生几次散射事件后或在辐射的斜入射下可以得到动量pz。资料来源:《物理评论B》(2022)。DOI: 10.1103/PhysRevB.106.075411

    探测太赫兹频率范围内的电磁波仍然是一个具有挑战性的问题。来自剑桥大学的研究人员与奥格斯堡大学的物理学家一起,最近发现了一种新的物理效应,可能会改变这种情况。在一项新的研究中,科学家们正在开发一种解释其背后机制的理论。他们的发现使得建造小型、廉价和高灵敏度的太赫兹探测器成为可能。例如,这些探测器可用于医疗诊断、非接触式安全检查,或用于更快的无线数据传输。新理论的结果已经发表在《物理评论B》杂志上。

    当X射线或紫外线落在金属表面时,它们会将电子从材料中击出。这种 "光电效应 "可以构成检测电磁波存在的探测器的基础。

    在一个稍加修改的形式中,类似的效应被用于数码相机的记录芯片或太阳能电池中。这些对可见光和红外光有反应。然而,其能量明显低于紫外线辐射的能量,因此不足以从材料中释放电子。相反,辐射可能会改变半导体结构的电性能,这些结构通常是不良导体。另一方面,当暴露在光下时,它们会变得导电甚至可以产生电压。

    太赫兹辐射的能量甚至低于可见光或红外光的能量。太赫兹辐射通常甚至不能提供足够的能量来激发半导体中的电子。目前,存在几种类型的太赫兹辐射探测器,但仍然需要更有效、更便宜和更紧凑的太赫兹探测器。因此,研究人员继续寻找其他物理原理来探测太赫兹辐射。

    奥格斯堡大学物理研究所的谢尔盖-米哈伊洛夫博士解释说:“最近,我们与来自英国的同事一起,发现了一种新的物理效应,可以建造高灵敏度的探测器”。“它是基于具有二维电子气体的半导体材料--在半导体表面下形成的一个薄的导电层。在某些条件下,即使在太赫兹频率下也能在这种结构中观察到一种光电效应。当这种半导体结构被电磁波照射时,在平行于半导体表面的方向上,二维电子气体中产生了电流。”

    在他们目前的工作中,研究人员开发了一种“面内光电效应”的理论,更详细地解释了这种机制。从他们的结果中可以得出各种预测。例如,基于这种效应,应该可以建造对整个太赫兹范围(频率在0.1到10太赫兹之间或波长在3到0.03毫米之间的辐射)敏感的探测器。米哈伊洛夫说:“这是一个任何新的探测机制都具有重大价值的领域”。从理论上讲,还应该有可能建造对极低辐射强度作出反应的探测器。

    这些可以用于各种应用中。例如,使用太赫兹辐射可以很容易地检测到皮肤癌细胞。这种探测器还可用于在安全检查站找到最小数量的毒品或爆炸物。此外,太赫兹波的来回振荡速度比目前用于移动通信的电磁辐射要快。由于这个原因,它们可以在相同的时间内传输更多的信息。因此,新的探测器可以为移动互联网提供速度上的提升。

 
 

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