前沿：Sci. Adv. | 光电效应新发现！THz技术再升级

时至今日，人们基本上已经能够高效地利用绝大部分频率的电磁波。但是，在微波和红外频段之间，作为“电磁频谱上最后堡垒”的太赫兹频段却迟迟没有得到充分的应用。

广义地说，太赫兹频段的频率范围定义为 0.1-30 THz （terahertz, 1 THz = 10¹² Hz）。这个范围正是目前电子学和光子学器件在各自工作频段之间的“空白区域”。但就目前来说，与其重要性恰好相反，在太赫兹频段十分缺乏便宜、高效且易于使用的辐射源和探测器，这直接阻碍了太赫兹技术的广泛应用。如果这些问题得到充分解决，太赫兹技术有望在安防、无损检测和成像、材料科学、通信技术和生物医药等多个重要领域大有可为。比如说，可以用太赫兹波对癌组织进行无损成像，利用太赫兹扫描仪可以辨别毒品和爆炸物等，利用太赫兹通信技术可以实现超高速信息获取、处理和传递，而基于其它频段的相关技术是很难实现这些应用场景的。

时至今日，虽然基于电子学和光子学方法的太赫兹探测器研究已经取得很大进展，但如何实现同时具有便宜、高效和易于使用等特性的探测器，却仍是科研人员们重点关注的研究内容（特别是当工作频率处于1-3 THz范围内）。

近十年来，各种基于场效应晶体管形式的太赫兹探测器，逐步出现在人们的视野当中。其具有很好的可集成性，并与现在的半导体加工工艺相兼容，可以同时实现高响应度，高工作带宽，以及高损伤阈值等良好特性。一般来说，这种探测器类型的主要工作机制，以等离激元混频（plasmonic mixing），也叫做分布电阻式混频（distributed resistive mixing）为主。而其它基于栅压调控二维电子气系统的探测机制，可以是基于热学过程的，如光热电（photothermoelectric）效应，辐射热（bolometric）式和无碰撞电子热化（collisionless electron heating）等；也可以是基于光子学过程的，如光子辅助隧穿（photon-assisted tunneling）或者光伏（photovoltaic）效应等。

近日，英国剑桥大学卡文迪许实验室的研究人员与英国兰卡斯特大学以及德国奥格斯堡大学的合作者们，在用太赫兹波照射二维电子系统时发现了一种新的探测机制。这种效应所能产生的太赫兹光响应，超出包括等离激元混频效应在内的所有已知探测机制所预测数值的一个数量级以上，并且不能被此前已有任何探测机制所解释。他们把这种效应命名为“面内光电效应（in-plane photoelectric effect）”，并详细描述了这种效应将会给太赫兹探测器研究带来的优势。

研究人员认为：这种新的二维光电效应将会助力超高灵敏度太赫兹探测器的实现。

图1：（左）论文第一作者 Wladislaw Michailow 博士在超净实验室里展示太赫兹探测器；

（右）制作完成的太赫兹探测器。

图源：Wladislaw Michailow

本项工作以“An in-plane photoelectric effect in two-dimensional electron systems for terahertz detection”为题近日发表在 Science Advances。

Michailow et al., Sci. Adv.8, eabi8398 (2022)

https://doi.org/10.1126/sciadv.abi8398