檢測光和輻射在整個電磁頻譜中至關重要，但某些區域仍然特別具有挑戰性。其中之一是太赫茲（THz）範圍，位於微波和紅外光之間。針對這些頻率的現有探測器通常速度慢、缺乏靈敏度，或依賴通常需要低溫冷卻的大型且昂貴的設備。
研究人員現已開發出一種新型緊湊型探測器，它將量子物理學與專門設計的超表面相結合，顯著改進了其捕獲太赫茲輻射並將其轉換為電信號的方式。他們的研究結果最近發表 先進光子學。
太赫茲檢測的量子方法
新設備是基於一種稱為面內光電效應的現象。在此過程中，傳入的太赫茲光子將能量轉移到限制在二維電子氣內的電子。這些帶電的電子通過精心設計的電位階躍，產生可測量的電流。
與傳統的光電探測器不同，這種機制不需要光子超過最小能量閾值。由於該過程完全發生在材料平面內，因此它也避免了探測器設計受限的一些效率限制。
先前基於相同原理的偵測器顯示出良好的靈敏度，但僅捕獲了一小部分入射輻射，因為它們依賴單獨的天線元件。
超表面將輻射集中到小的可偵測區域
為了克服這個限制，研究小組圍繞著超表面設計了一個探測器，超表面是將電磁能量集中到非常小的區域的模型結構。
該設備使用重複的“磚塊”圖案，有兩個目的。它收集傳入的太赫茲輻射並將其引導到進行檢測過程的狹窄間隙中。
每個間隙都充當單獨的探測器。透過將許多這些檢測元件分佈在表面並將它們以電子方式連接在一起，研究人員能夠將它們的輸出組合成更強的整體訊號。
這種方法無需複雜的外部光學元件或探測器。它還確保傳入輻射僅集中在直接有助於訊號產生的區域。
整合光收集和檢測
團隊沒有單獨設計探測器和光捕獲系統，而是從超表面開始，直接在電場最強的區域建造探測元件。
單獨的光電可調階躍（PETS）感測元件嵌入超表面的電容空隙內。
「這確保了與超表面感測元件的最佳耦合，」主要作者 Wladislaw Michailow 說，他在劍橋大學領導了這項研究，後來又在英國斯旺西大學領導了這項研究。
「與並聯多個設備的傳統方法相比，這種方法使我們能夠顯著提高檢測靈敏度，」Michailow 補充道。
研究人員使用電腦模擬來優化重要的結構特徵，包括間隙尺寸和重複單元之間的間距。這些參數決定了電場受到限制的程度以及最終產生多少光電流。最終設計平衡了場增強和電子通道寬度，以最大化可測量的輸出。
半導體支撐設計
該探測器採用具有高遷移率電子氣的半導體結構製造。製造過程類似於場效電晶體所使用的技術，並提供了一種與現有電子系統整合的實用方法。
由於超表面本身會集中入射輻射，因此不需要矽透鏡等外部聚焦組件。這簡化了組裝，並且可以使大規模製造更加實用。
為了測試該設備，研究人員將其冷卻至 10 K 並將其暴露在約 1.9 THz 輻射下。檢測器產生清晰的電響應，與輸入訊號的開關調製模式相符。
效率提高二十倍
測量結果顯示響應為每瓦 2.7 安培。
該概念驗證設備還在 1.9 THz 下實現了 2.1% 的外部量子效率，比先前展示的 PETS 探測器提高了約 20 倍。
研究人員表示，這種性能增益很大程度上來自超表面捕獲大部分入射輻射並將其直接引導至探測器活動區域的能力。
另一個優點是檢測器以零源漏偏壓運作。這有助於透過消除暗電流來降低雜訊。
第一作者 Ruqiao Xia 表示：「這些設備是在零偏壓下工作的直接探測器，因此它們在沒有暗電流的情況下工作。」作為劍橋大學卡文迪什實驗室半導體物理小組博士研究的一部分，他製造並測量了這些設備。
由於該設計在幾何上是可擴展的，因此相同的概念可能適用於從微波到中紅外線波長的各種頻率。
跨多個領域的潛在應用
該建築規劃還具有實際優勢。該探測器與標準半導體製造技術相容，可直接整合到片上電子裝置中。
與許多現有的太赫茲系統相比，平面超表面的使用無需精確對準外部光學元件，從而簡化了封裝和部署。
研究人員相信，該技術可以在比許多競爭探測器平台更高的溫度下運作。類似的 PETS 探測器已經在緊湊型低溫冷卻器可達到的溫度下展示了性能，而不需要液態氦冷卻。
這有助於填補高靈敏度低溫偵測器和低靈敏度室溫設備之間的重要差距，並擴大現實世界太赫茲應用的範圍。
該研究是基於二維電子系統的超表面量子光電探測器的首次演示。透過將高效的光捕獲與敏感的量子檢測機制相結合，這項工作代表了克服太赫茲技術長期存在的挑戰的重要一步。
半導體物理小組負責人 David Ritchie 表示：“結果特別有趣，因為太赫茲技術可以在無線網路、醫療保健、天文學、生物醫學、製造品質保證和許多其他領域實現應用。”
透過將超表面光學元件直接整合到偵測器本身中，研究人員展示了量子物理和材料工程的進步如何幫助釋放太赫茲技術的全部潛力。
