Science Advances：“in-plane photoelectric effect”提高太赫兹探测器的有效灵敏度

       近日，研究人员在二维导电体系中发现了一种新效应，该效应有望改进太赫兹探测器的性能。

图1 （左）Wladislaw Michailow博士在超净间展示太赫兹设备；（右）制造的太赫兹探测器。（图片来源：Wladislaw Michailow博士）

       卡文迪许实验室团队与德国奥格斯堡大学和兰卡斯特大学合作，发现了一种新物理效应，这种新现象发生在太赫兹波辐射下的二维电子体系。

       那么，什么是太赫兹波？“我们使用传输微波辐射的移动电话进行通信，并使用红外摄像机实现夜视，而太赫兹波长是介于微波和红外线波长之间的一种电磁辐射，”剑桥大学卡文迪许实验室半导体物理学组组长David Ritchie教授解释道，“然而目前，成本低廉、高效、好用的太赫兹辐射缺乏光源和探测器，这阻碍了太赫兹技术的广泛应用。”

       2002年，该团队研究人员与意大利比萨和都灵的研究人员首次展示了太赫兹频率激光器——一种量子级联激光器。从那时起，该团队并未停止研究太赫兹物理和技术的脚步，目前正在开发结合超材料的功能性太赫兹设备，如调制器和新型探测器等。

       若太赫兹设备不再匮乏，太赫兹技术能够应用于安全、材料科学、通信以及医学等多个领域。例如，太赫兹波可以对肉眼不可见的癌变组织进行成像，应用于新一代快速安全的机场扫描仪，以区分药品、非法毒品和爆炸物，以及实现超越最新技术的更快无线通讯。

       那么，最新发现是什么呢？“我们正在开发一种新型太赫兹探测器，”剑桥大学三一学院助理研究员Wladislaw Michailow博士说，“但是，仪器性能测量结果表明，信号强度远高于理论预测值，所以我们对其进行了合理的新解释。”

       正如科学家所说，这种解释应该基于光如何与物质相互作用。在高频率辐射下，物质吸收单粒子形式的光——光子。光的粒子性学说最初由爱因斯坦提出，奠定了量子力学的基础，并解释了光电效应。这种光的量子激发就是智能手机上摄像头捕捉光线的方式，也是太阳能电池中光能转化电能的方式。

       众所周知，光电效应发生在导电材料中，如金属或半导体，电子吸收光子能量，克服材料束缚并从表面逸出。在三维空间，电子可以通过紫外线或X射线范围内的光子逸出到真空中，或释放中红外线至可见光范围内的电介质。该工作的新奇之处在于发现了太赫兹范围内的光量子激发，类似于光电效应。该研究第一作者Wladislaw博士解释说：“此前，这种效应是否存在于高导电性的低频二维电子气体中并不明确，但我们已经通过实验证实这种现象。”这种效应的量子理论是由德国奥格斯堡大学的一位合作者和跨国研究团队共同发展起来，研究成果已发表在期刊《Science Advances》上。

       基于此，研究人员将这种现象命名为“in-plane photoelectric effect”。在该论文中，科学家描述了基于这种效应的太赫兹探测的若干优势。尤其是，入射太赫兹光通过“in-plane photoelectric effect”产生的光响应强度远高于所有已知的基于其它机制的太赫兹光响应强度。因此，科学家希望这种效应能够促进制造出更高有效灵敏度的太赫兹探测器。

       Ritchie教授总结道：“这使太赫兹技术的实际应用又向前一步。”