據(jù)麥姆斯咨詢介紹，對(duì)電磁波譜太赫茲（TeraHertz，THz）波段中的輻射，包括紅外和微波頻率的研究，有望在天體物理學(xué)及生物成像等領(lǐng)域獲得新的進(jìn)展。但是對(duì)于某些應(yīng)用來說，通向緊湊靈敏的太赫茲光源和探測(cè)器的道路上仍存在令人煩惱的障礙：多數(shù)必須在非常低的溫度下運(yùn)行，這增加了器件的面積和復(fù)雜性。然而，近期有兩個(gè)小組發(fā)表的研究成果提供了一些方法來緩解探測(cè)和產(chǎn)生太赫茲輻射期間的低溫問題。

天體物理學(xué)工具

長期以來，天文科學(xué)家一直懷有仔細(xì)觀察遙遠(yuǎn)星系的夢(mèng)想。但受限于技術(shù)，還無法詳細(xì)探測(cè)和分析數(shù)十億英里之外的恒星和太空活動(dòng)。日前，美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）Samueli工程學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種超靈敏的光探測(cè)系統(tǒng)，可以使天文學(xué)家能夠仔細(xì)地觀察星系、恒星和行星系統(tǒng)。

與以往的光傳感器不同，UCLA開發(fā)的系統(tǒng)可在室溫下工作，相比之下，類似的技術(shù)僅能夠在接近－270°C（454°F）的溫度下工作。關(guān)于該技術(shù)的詳細(xì)介紹和進(jìn)展，請(qǐng)參照《自然天文學(xué)》上發(fā)表的論文。

這一新型傳感器系統(tǒng)，能夠檢測(cè)電磁波譜太赫茲波段中的輻射，其中包括遠(yuǎn)紅外和微波頻段。它可以產(chǎn)生超高清晰度的圖像，并且可以檢測(cè)寬光譜范圍內(nèi)的太赫茲波。據(jù)報(bào)道，它比目前僅在窄光譜范圍內(nèi)探測(cè)此類波的技術(shù)光譜范圍擴(kuò)大了10倍。

目前，科學(xué)家們?cè)O(shè)想的這一傳感系統(tǒng)，需要借助幾種不同類型的儀器。例如，該系統(tǒng)可以通過查看元素和分子的獨(dú)特指示光譜特征來識(shí)別其是否存在于空間區(qū)域中。

UCLA電氣與計(jì)算機(jī)工程教授Mona Jarrahi在一份聲明中說道，觀察太赫茲頻率可以讓我們看到通過光譜的其它波段看不到的細(xì)節(jié)。在天文學(xué)中，太赫茲探測(cè)范圍的優(yōu)勢(shì)在于，與紅外和可見光不同，太赫茲波不會(huì)被圍繞這些天文結(jié)構(gòu)的星際氣體和塵埃所掩蓋。

Jarrahi還補(bǔ)充說道，這項(xiàng)技術(shù)在天基觀測(cè)時(shí)尤其有效，因?yàn)榕c地球環(huán)境不同，太赫茲波能夠在不受大氣干擾的情況下被探測(cè)到。

科學(xué)家認(rèn)為，該系統(tǒng)能夠進(jìn)一步了解天文物體及其結(jié)構(gòu)的組成，以及它們?nèi)绾握Q生和死亡。該系統(tǒng)還可以揭示恒星和星系之間存在的氣體、塵埃和輻射相互作用的相關(guān)細(xì)節(jié)，并揭示分子宇宙起源的線索，這些線索可以用來判斷行星是否適合生命生存。

第一作者王寧（左）和美國光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士（OSA Fellow）兼加州大學(xué)洛杉磯分校教授Mona Jarrahi，以及她們研發(fā)的太赫茲探測(cè)器裝置

要解決以上問題，需要在接近量子靈敏度極限運(yùn)行的設(shè)備，能夠從極少數(shù)到達(dá)地面望遠(yuǎn)鏡的深空太赫茲光子中提取可用信號(hào)。問題是：要在外差太赫茲探測(cè)器中達(dá)到這個(gè)極限，通常需要超導(dǎo)體－絕緣體－超導(dǎo)體（superconductor－insulator－superconductor，SIS）混頻器，它們只在低溫下運(yùn)行，將太赫茲頻率變頻到用于信號(hào)處理的射頻波段。此外，此類太赫茲探測(cè)器往往只有相對(duì)有限的光譜帶寬，這意味著必須使用多個(gè)不同的設(shè)備來探測(cè)感興趣的更寬范圍的太赫茲輻射。

等離子體解決方案

Jarrahi和她的團(tuán)隊(duì)通過徹底改變探測(cè)器架構(gòu)來解決這個(gè)問題。最重要的是，她們用包括等離子體接觸的光混頻器取代了超導(dǎo)混頻器。接觸端由厚度為50nm、間隔緊密的鈦／金光柵組成，連接在光吸收半導(dǎo)體襯底頂部的對(duì)數(shù)螺旋天線上。

在太赫茲頻率下，光柵以太赫茲拍頻用光束進(jìn)行泵浦，將入射輻射轉(zhuǎn)換為表面等離子體波，在金屬－電介質(zhì)界面上嚴(yán)格限制電子振蕩。其結(jié)果是產(chǎn)生性能良好的本地振蕩器，可以與來自（例如）天文望遠(yuǎn)鏡的輸入太赫茲信號(hào)混合，產(chǎn)生下變頻拍頻信號(hào)，從而可通過標(biāo)準(zhǔn)射頻信號(hào)處理電子設(shè)備輕松處理。

寬頻帶、室溫下運(yùn)行

UCLA的研究人員對(duì)他們?cè)O(shè)計(jì)的制造原型進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它在室溫下可以有效地運(yùn)行，靈敏度僅高于量子噪聲極限的三倍左右。此外，通過調(diào)整天線的幾何形狀并在一定頻率范圍內(nèi)掃描可調(diào)諧光學(xué)泵浦光束，單個(gè)集成器件可以拾取0．1～5THz頻率范圍內(nèi)的太赫茲信號(hào)。相比之下，研究人員指出，當(dāng)前的傳統(tǒng)太赫茲探測(cè)技術(shù)需要“大量低溫冷卻的SIS混頻器、HEB（hot electron bolometer，熱電子測(cè)輻射熱計(jì)）混頻器和太赫茲本地振蕩器”，才能在相似的光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)撵`敏度。

在研究報(bào)告的新聞發(fā)布會(huì)上，Jarrahi和她的同事指出，這種新設(shè)備在天基望遠(yuǎn)鏡中尤其有用，因?yàn)橹亓亢褪酆蟮确矫娴膯栴}使得很難將傳統(tǒng)低溫太赫茲探測(cè)系統(tǒng)與長期運(yùn)行所需的冷卻箱裝在一起。該小組認(rèn)為，除了天文用途，這種緊湊的室溫探測(cè)器還可以用于大氣科學(xué)、氣體傳感和基本量子光學(xué)等領(lǐng)域。Jarrahi說：“在太赫茲頻率下觀察，我們可以看到光譜其它波段看不到的細(xì)節(jié)?！?/p>