来源：英格丽德・法代利（Ingrid Fadelli），Phys.org网站，编辑：斯蒂芬妮・鲍姆（Stephanie Baum），审稿：罗伯特・伊根（Robert Egan）；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 胡家俊 编译

    太赫兹辐射（THz，频率范围在 0.1 至 10 太赫兹之间的电磁辐射）有望用于开发各类新型技术，包括成像系统和通信系统。然而，目前缺乏能在宽频率范围内探测辐射的快速、高灵敏度探测器，这一问题限制了太赫兹传感技术的发展。

    在近期发表于《自然・电子学》（Nature Electronics）的一篇论文中，美国威斯康星大学麦迪逊分校、田纳西大学及其他机构的研究人员，推出了一种基于碲化钽铱（TaIrTe₄）的新型光电探测器。TaIrTe₄是一种二维关联拓扑半金属，具有诸多优异特性，其中最显著的是其表现出的强非线性霍尔效应—— 这一物理效应指在无外磁场的情况下产生横向电压，且该电压与外加电场或电流呈非线性比例关系。

    “太赫兹技术在量子信息技术和生物医学传感领域至关重要，因为其频率与量子材料中的低能集体激发以及生物物质中的分子振动能够产生共振。” 该论文的资深作者肖军（Jun Xiao，音译）向Phys.org网站表示，“此外，太赫兹频段的超高带宽有望实现理想的高速无线通信。但目前，无论是热辐射计还是电子肖特基二极管等主流探测器，都无法同时满足高灵敏度、宽频段、快速响应的太赫兹探测需求，这一短板阻碍了太赫兹技术的广泛应用。”

    现有太赫兹辐射光电探测器要么响应速度过慢、灵敏度不足，要么仅能探测特定频率的信号。为此，肖军及其团队着手研发基于替代材料的新型光电探测器，旨在克服传统器件的局限，实现高灵敏度、快速响应与宽频段探测的结合。

    “我们利用原子级薄的 TaIrTe₄（一种二维关联拓扑半金属）制备了梳状电极结构（Har bar geometry）传感器件，并将其暴露于太赫兹辐射环境中。” 肖军解释道，“我们通过测量太赫兹诱导光电流，以及评估响应度、灵敏度等器件性能指标，对上述效应进行了表征。为测试响应速度，我们利用飞秒激光生成的太赫兹脉冲开展超快自相关测量，结果显示该器件具有皮秒级的内在动力学响应。”

    在研究过程中，肖军团队还采用二次谐波产生（SHG）光谱技术，对 TaIrTe₄的晶体对称性进行了探测。通过这一技术，他们观察到在低温条件下，材料中会出现一种关联电子相，这种物相能进一步增强探测器的太赫兹响应 —— 换句话说，可提升器件快速、精准探测太赫兹辐射的能力。

    “此外，我们还证实，通过静电门控技术可调控该器件的传感性能和电子态。” 肖军表示，“这些方法的结合表明，TaIrTe₄在快速、宽频段、高灵敏度室温太赫兹传感领域具有广阔应用前景。”

    初步测试结果显示，该团队研发的光电探测器性能表现优异：在室温条件下，其零偏置响应度可达约 0.3 A/W），噪声等效功率（NEP）极低（约为pW/Hz^1/2），太赫兹响应频段宽（0.1至10 太赫兹），且内在响应速度超快（约为皮秒级）。

    “我们还发现，当这种拓扑半金属转变为关联电荷有序态时，其零偏置响应度可提升约 50 倍，达到 18 A/W左右。” 肖军指出，“得益于新型拓扑物理特性和量子特性，该器件的性能指标显著优于基于其他二维材料或传统技术的太赫兹探测器。”

    未来，肖军团队研发的这种光电探测器不仅有望推动太赫兹传感技术的发展，还可能启发其他研究团队利用二维关联拓扑半金属开发太赫兹传感器件。接下来，研究人员计划进一步评估该器件在成像及其他实际场景中的应用潜力。

    “目前我们的研究主要集中在单个太赫兹传感器件的性能验证上。” 肖军补充道，“在此基础上，我们旨在开发大规模成像阵列，并将机器学习算法与该材料高度可调的传感特性相结合，构建智能太赫兹传感系统。”

    更多研究详情：Tairan Xi et al, Terahertz sensing based on the nonlinear electrodynamics of the two-dimensional correlated topological semimetal TaIrTe₄, Nature Electronics (2025). DOI: 10.1038/s41928-025-01397-z