太赫茲射線可能有一系列令人眩暈的應(yīng)用，從高速無線網(wǎng)絡(luò)到檢測(cè)癌癥。研究人員表示，他們可能最終發(fā)明了一種便攜式、高功率的太赫茲激光器。太赫茲波（也稱為亞毫米波或遠(yuǎn)紅外光）介于光波和微波之間。從0.1到10太赫茲的頻率范圍內(nèi)，太赫茲射線可以在成像中找到許多應(yīng)用，例如醫(yī)學(xué)成像、天文觀測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、材料分析等軍事和民用領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。它們也可能是未來高速無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，后者將以每秒萬億兆比特的速度傳輸數(shù)據(jù)。

然而，由于缺乏強(qiáng)大而緊湊的太赫茲光源，太赫茲射線在很大程度上僅限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件可以產(chǎn)生頻率在1太赫茲以下或10太赫茲以上的太赫茲波。麻省理工學(xué)院（MIT）電氣工程師Qing Hu表示，中間頻率范圍（稱為太赫茲間隙）可能對(duì)成像、炸彈檢測(cè)、癌癥檢測(cè)和化學(xué)分析應(yīng)用特別有價(jià)值。

先前的研究表明，所謂的量子級(jí)聯(lián)激光器可能會(huì)彌合這一鴻溝。這些器件的核心是由具有不同導(dǎo)電率的半導(dǎo)體材料交替層組成的晶圓。當(dāng)帶電時(shí)，電子仍被限制在兩個(gè)更具導(dǎo)電性的層之間。最終這些電子以“量子級(jí)聯(lián)”的方式發(fā)射光。

然而，設(shè)計(jì)用于在太赫茲間隙內(nèi)發(fā)射光的量子級(jí)聯(lián)激光器長(zhǎng)期以來需要低于-63攝氏度的溫度。問題在于，在更高的溫度下，受限電子會(huì)通過更具抗電性的層泄漏。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和加拿大滑鐵盧大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)明了一種高功率量子級(jí)聯(lián)激光器，它能發(fā)射大約4太赫茲的光，最高工作溫度為-23攝氏度。這表明它可以使用緊湊的熱電冷卻器而不是笨重的低溫技術(shù)來工作，從而實(shí)現(xiàn)便攜式應(yīng)用。

砷化鎵片夾在更具導(dǎo)電性的砷化鎵片之間。科學(xué)家們將砷化鎵鋁層中鋁的濃度增加了一倍，以更好地限制砷化鎵片中的電子。他們還仔細(xì)調(diào)整了這些層的厚度，以確保這些電子以量子級(jí)聯(lián)的形式發(fā)射光。

Hu表示，他們可以調(diào)整激光器的頻率，使其發(fā)射頻率在2到7太赫茲之間。他說，在7到10太赫茲之間，可能需要一種基于不同材料（如氮化鎵）的量子級(jí)聯(lián)激光器。

至于激光是否能在更高溫度下在太赫茲間隙內(nèi)工作，“我?guī)缀蹩梢院敛缓卣f，在室溫或更高溫度下，太赫茲操作是可以實(shí)現(xiàn)的，”Hu說，這意味著我們甚至可以擁有手持式太赫茲激光器。”

科學(xué)家們?cè)?1月2日的Nature Photonics雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

責(zé)任編輯：lq