缩小“太赫兹差距”

EPFL混合光子学实验室（HYLAB）的研究人员已经朝成功利用太赫兹间隙迈出了一步，该间隙位于电磁频谱上约300-30000 GHz（0.3至30 THz）之间。这个范围目前是一个技术盲区，这些频率对于当今的电子和电信设备来说太快了，但对于光学和成像应用来说又太慢。

在Cristina Benea-Chelmus的带领下，HYLAB的研究人员和苏黎世联邦理工学院及哈佛大学的同事已经建立了一个由铌酸锂制成的集成光子电路，该电路产生的太赫兹波的频率、波长、幅度和相位都可以精确调控。

对太赫兹辐射的这种精确控制意味着它现在有可能被用于电子和光学领域的下一代应用。这一研究结果最近发表在《自然通讯（Nature Communications）》上。

“看到器件发出具有我们预先定义属性的辐射，证实了我们的模型是正确的。”共同第一作者Alexa Herter（目前是苏黎世联邦理工学院的一名博士生）说。

“这成为可能是由于铌酸锂集成光子学的独特性能。”共同第一作者、哈佛大学博士后Amirhassan Shams-Ansari补充道。

可供电信使用

Benea-Chelmus解释说，虽然这种太赫兹波以前也曾在实验室中产生过，但以前的方法主要依赖块状晶体来产生正确的频率。她的实验室使用铌酸锂电路，由哈佛大学的合作者在纳米尺度上精细蚀刻，使他们的新方法更加精简。硅衬底的使用也使该器件适合集成到电子和光学系统中。

“以非常高的频率产生波极具挑战性，很少有技术可以产生具有特定模式的波。我们现在能够设计太赫兹波的确切时间形状——基本上能够说，‘我想要一个看起来像这样的波形。’”她解释道。

为了实现这一目标，Benea-Chelmus的实验室设计了芯片的通道排列，称为波导，微型天线从其中传送由光纤光产生的太赫兹波。

“我们的器件已经使用了标准光信号，这一事实确实是一个优势，因为这意味着这些新芯片可以与传统激光器一起使用，这些激光器工作得很好，并且很容易理解。这意味着我们的器件与电信兼容。“Benea-Chelmus强调说。她补充说，在太赫兹范围内发送和接收信号的小型化器件可能在第六代移动系统（6G）中发挥关键作用。

在光学领域，Benea-Chelmus看到了小型化铌酸锂芯片在光谱学和成像方面的特殊潜力。除了非电离性之外，针对提供材料成分信息，无论这材料是骨骼还是油画，太赫兹波的能量比目前许多其他类型的波（如X射线）低得多。因此，像铌酸锂芯片这样一个紧凑、无损的器件可以为当前的光谱技术提供一个侵入性较小的替代方案。

“你可以想象，通过对你感兴趣的材料发送太赫兹辐射，依赖其分子结构对其进行分析以测量材料的反应。所有这些都来自一个比火柴头还小的器件。

量子未来

下一步，Benea-Chelmus计划专注于调整芯片的波导和天线的特性，以设计出振幅更大、频率和衰减率更精细的波形。她还认为她实验室开发的太赫兹技术可能对量子应用有用。

“有许多基本问题需要解决；例如，我们感兴趣的是，我们是否可以使用这种芯片来产生可以在极短的时间尺度上操纵的新型量子辐射。量子科学中的这种波可以用来控制量子物体。”