这一发现或将带来太赫兹量子传感技术
发布时间：2023-07-21 08:00:00 阅读数： 153
量子准电透镜（横截面）示意图，可聚焦频率为 5-15 太赫兹的光脉冲。传入的太赫兹光脉冲（红色，左上角）通过环形聚合物光栅和钛酸锶（蓝色）基底上的圆盘谐振器（灰色）转换成表面声子极化子（黄色三角形）。黄色三角形的宽度表示声子-极化子在到达用于聚焦和增强出射光的圆盘谐振器（右上角红色）之前，通过每个光栅间隔传播时电场的增加。左下方的钛酸锶分子原子结构模型描述了声子-极化子振荡模式中钛（蓝色）、氧（红色）和锶（绿色）原子的运动。资料来源：Zhu 实验室/莱斯大学
可见光只是电磁波谱中的一小部分，而对人类视力所不能及的光波频率的操纵，使得手机和 CT 扫描等技术成为可能。
莱斯大学的研究人员制定了一项计划，以利用光谱中以前未使用的部分。
"莱斯大学博士三年级学生、发表在《先进材料》（Advanced Materials）上的一篇文章的第一作者 Rui Xu 说："中红外光和远红外光存在明显的差距，大约在 5-15 太赫兹的频率和 20-60 微米的波长范围内，与较高的光学频率和较低的无线电频率相比，目前还没有很好的商业产品。
这项研究是在威廉-马什-莱斯讲座教授、材料科学与纳米工程助理教授朱涵宇（Hanyu Zhu）的新兴量子与超快材料实验室进行的。
图为莱斯大学新兴量子与超快材料实验室研究生徐睿制作的三个超快太赫兹场聚光器样品。底层（可见白色方格）由钛酸锶制成，其聚光器结构 ，在其表面刻有可集中太赫兹频率红外光的同心圆微阵列。这些阵列在显微镜下清晰可见（插图），但用肉眼观察时却像细粒度的点状图案。图片来源：Gustavo Raskosky/徐睿/莱斯大学添加的插图
"Zhu说："这一频率区域的光学技术--有时被称为'新太赫兹间隙'，因为它远比0.3-30太赫兹'间隙'的其他区域更难以接近--可能非常有助于研究和开发用于接近室温的量子电子学的量子材料，以及用于医疗诊断的生物分子中的功能基团传感。
研究人员所面临的挑战是找到合适的材料，以便在 "新的太赫兹间隙 "中传输和处理光。这种光会与大多数材料的原子结构产生强烈的相互作用，并很快被它们吸收。Zhu 的研究小组利用钛酸锶（一种锶和钛的氧化物）将这种强相互作用转化为优势。
"它的原子与太赫兹光的耦合如此强烈，以至于形成了被称为声子-极化子的新粒子，这些粒子被限制在材料表面，不会在材料内部消失，"Xu 说。
其他材料支持更高频率的声子-极化子，而且通常支持的范围很窄，而钛酸锶则不同，它支持整个 5-15 太赫兹的间隙，这是因为它具有一种称为量子顺电性的特性。钛酸锶的原子表现出巨大的量子波动和随机振动，因此即使在零开尔文温度下也能有效捕捉光线，而不会被捕捉到的光线自我捕获。
"我们通过设计和制造超快场聚光器，证明了钛酸锶声子-极化子器件在 7-13 太赫兹频率范围内的概念，"Xu 说。"这种器件能将光脉冲挤压到小于光波长的体积内，并保持较短的持续时间。因此，我们实现了每米近千兆伏的强瞬态电场。
电场如此之强，以至于可以用来改变材料的结构，从而产生新的电子特性，或者从微量的特定分子中产生新的非线性光学响应，这种响应可以用普通的光学显微镜检测到。Zhu说，他的研究小组开发的设计和制造方法适用于许多市售材料，可以实现3-19太赫兹范围内的光子设备。
该论文的其他共同作者包括：材料科学与纳米工程博士后研究员陈晓彤；材料科学与纳米工程博士生伊丽莎白-布莱克特和林彤；应用物理学三年级博士生罗佳明；现就读于德克萨斯农工大学、曾在莱斯大学参加本科生纳米技术研究体验项目的阿丽莎-穆恩；以及莱斯大学材料科学与纳米工程大四学生哈利勒-杰贝利。
参考资料
Rui Xu et al, Phonon Polaritonics in Broad Terahertz Frequency Range with Quantum Paraelectric SrTiO3, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202302974
