太赫兹射线可能有一系列令人眩晕的应用

太赫兹射线可能有一系列令人眩晕的应用，从高速无线网络到检测癌症。研究人员表示，他们可能最终发明了一种便携式、高功率的太赫兹激光器。太赫兹波（也称为亚毫米波或远红外光）介于光波和微波之间。从0.1到10太赫兹的频率范围内，太赫兹射线可以在成像中找到许多应用，例如医学成像、天文观测、环境监测、材料分析等军事和民用领域都具有广阔的应用前景。它们也可能是未来高速无线网络的关键，后者将以每秒万亿兆比特的速度传输数据。

然而，由于缺乏强大而紧凑的太赫兹光源，太赫兹射线在很大程度上仅限于实验室环境。传统的半导体器件可以产生频率在1太赫兹以下或10太赫兹以上的太赫兹波。麻省理工学院（MIT）电气工程师Qing Hu表示，中间频率范围（称为太赫兹间隙）可能对成像、炸弹检测、癌症检测和化学分析应用特别有价值。

先前的研究表明，所谓的量子级联激光器可能会弥合这一鸿沟。这些器件的核心是由具有不同导电率的半导体材料交替层组成的晶圆。当带电时，电子仍被限制在两个更具导电性的层之间。最终这些电子以“量子级联”的方式发射光。

然而，设计用于在太赫兹间隙内发射光的量子级联激光器长期以来需要低于-63摄氏度的温度。问题在于，在更高的温度下，受限电子会通过更具抗电性的层泄漏。

现在，麻省理工学院和加拿大滑铁卢大学的科学家们发明了一种高功率量子级联激光器，它能发射大约4太赫兹的光，最高工作温度为-23摄氏度。这表明它可以使用紧凑的热电冷却器而不是笨重的低温技术来工作，从而实现便携式应用。

砷化镓片夹在更具导电性的砷化镓片之间。科学家们将砷化镓铝层中铝的浓度增加了一倍，以更好地限制砷化镓片中的电子。他们还仔细调整了这些层的厚度，以确保这些电子以量子级联的形式发射光。

Hu表示，他们可以调整激光器的频率，使其发射频率在2到7太赫兹之间。他说，在7到10太赫兹之间，可能需要一种基于不同材料（如氮化镓）的量子级联激光器。

至于激光是否能在更高温度下在太赫兹间隙内工作，“我几乎可以毫不含糊地说，在室温或更高温度下，太赫兹操作是可以实现的，”Hu说，这意味着我们甚至可以拥有手持式太赫兹激光器。”

科学家们在11月2日的Nature Photonics杂志上详细介绍了他们的发现。

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