研究团队开发了新的材料系统来转换和产生太赫兹波

超薄金薄片可大幅放大底层石墨烯层中的传入太赫兹脉冲（红色），从而实现高效的倍频。

图片来源：HZDR / Werkstatt X

在电磁频谱上，太赫兹光位于红外辐射和微波之间。它具有未来技术的巨大潜力：除此之外，它可以通过实现极快的移动通信连接和无线网络来成功实现5G。从千兆赫兹频率向太赫兹频率过渡的瓶颈是由于效率不足造成的。德国和西班牙的研究小组在Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）的参与下，现已开发出一种材料系统，可以比以前更有效地产生太赫兹脉冲。它基于石墨烯，即涂有金属层状结构的超薄碳片。 该研究小组在ACS Nano杂志上介绍了其成果。

不久前，研究HZDR加速器ELBE的专家团队能够证明石墨烯可以充当倍频器：当二维碳被低太赫兹频率范围的光脉冲照射时，它们会转换成更高的频率。迄今为止，问题在于需要非常强的输入信号，而这些信号又只能由全尺寸粒子加速器产生，才能有效地产生这种太赫兹脉冲。“显然，这对于将来的技术应用是不切实际的，”他解释说。 研究的主要作者HZDR辐射物理研究所的Jan-Christoph Deinert。 “因此，我们正在寻找一种材料系统，该系统也可以使用较少的能量输入，即具有较低的场强。”

为此，HZDR科学家与加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所（ICN2），光子科学研究所（ICFO），比勒费尔德大学，柏林工业大学和位于美因茨的马克斯·普朗克聚合物研究所的同事一起， 提出了一个新主意：通过在玻璃载体上涂上一层石墨烯，可以大大提高频率转换：“它们就像天线一样，可以显著放大石墨烯中的太赫兹辐射，”项目协调员Klaas- 来自ICN2的Jan Tielrooij。 “结果，我们获得了非常强的电场，石墨烯暴露在层之间。这使我们能够非常高效地产生太赫兹脉冲。”

令人惊讶的有效倍频

为了验证这一想法，来自巴塞罗那ICN2的团队成员制作了样品：首先，他们在玻璃载体上施加了一个石墨烯层。在其顶部，他们气相沉积了氧化铝的超薄绝缘层，然后沉积了金条。 然后将样品送到位于德累斯顿-罗森多夫（Dresden-Rossendorf）的TELBE太赫兹工厂，在那里用低太赫兹范围（0.3至0.7 THz）的光脉冲击中样品。 在此过程中，专家使用特殊的检测器来分析涂有金薄片的石墨烯如何有效地增加入射辐射的频率。

“效果很好。”谢尔盖·科瓦廖夫（Sergey Kovalev）高兴地报道。 他负责HZDR的TELBE设施。“与未经处理的石墨烯相比，非常弱的输入信号足以产生倍频信号。” 以数字表示，只有最初要求的场强的十分之一足以观察到倍频。 而且在技术上相关的低场强下，由于采用了新的材料系统，转换后的太赫兹脉冲的功率要强一千倍以上。 单个薄片越宽，暴露的石墨烯面积越小，这种现象越明显。 最初，专家们能够将输入频率提高三倍。 后来，他们获得了更大的效果-输入频率提高了5倍，7倍甚至9倍。

与芯片技术兼容

这项技术非常有前景，因为直到现在，科学家们仍需要大型，复杂的设备（例如加速器或大型激光器）来产生太赫兹波。 由于采用了新材料，也有可能仅通过电输入信号，即以更少的能量实现从千兆赫兹到太赫兹的飞跃。 “我们基于石墨烯的超材料将与当前的半导体技术完全兼容，” Deinert强调说。 “原则上，它可以集成到普通芯片中。” 他和他的团队已经证明了新流程的可行性-现在可以在特定的程序集中实施。

潜在的应用可能是巨大的：由于太赫兹波具有比当今使用的千兆赫兹移动通信频率更高的频率，因此它们可用于传输更多的无线数据-5G将变成6G。 但是，太赫兹范围也受到其他领域的关注，例如，从工业中的质量控制和机场的安全扫描仪到材料研究中的各种科学应用。