圖d：在導帶邊緣（白線）加壓，電子密度通過不同顏色顯示的能量進行解析。偏壓驅動電子通過虛線箭頭指示的非輻射躍遷。這將泵浦薄阱中的能態，比綠色箭頭指示的較寬阱能態更為密集，從而允許太赫茲光子的凈受激發射。

量子級聯激光器的概念在1971年被提出，但直到1994年才由Faist及其同事首次證明，隨后由美國貝爾實驗室研制成功。該方法為眾多基礎實驗和應用實驗提供了價值，尤其是紅外波段。自2001年以來，用于太赫茲發射的量子級聯激光器也取得了實質性進展。但是對低溫冷卻劑（通常是液氦）的需求大大增加了復雜性和成本，并使設備變得更加龐大和不易移動，從而阻礙其被廣泛應用。七年前，運行溫度達到200K（－73℃）左右，而追求更高溫度下運行太赫茲量子級聯激光器的進展就停滯于此。

打破依賴低溫制冷技術的障礙

達到200K已經算是一項令人印象深刻的壯舉了。這個溫度剛好低于可以用熱電制冷取代低溫技術的界限。自2012年以來，溫度紀錄沒有發生變化，這也意味著某種“心理障礙”開始設立，許多場景開始接受太赫茲量子級聯激光器必須與低溫冷卻器一起工作的現實。

如今，ETH團隊已經突破了這一障礙。他們在Applied Physics Letters期刊中提出了一種熱電冷卻的太赫茲量子級聯激光器，工作溫度提高至210K。此外，所發射的激光足夠強，可以用室溫探測器進行測量。這意味著整個裝置無需低溫冷卻也能正常工作，進一步增強了該方法在實際應用中的潛力。

Bosco、Franckie及其同事基于兩方面的努力消除了“冷卻障礙”。首先，他們在量子級聯激光器堆棧的設計中使用了最簡單的單一結構，每個周期兩個量子阱（圖d）。這種方法被認為是一種獲得更高工作溫度的途徑，但同時這種雙阱設計對半導體幾何結構的最小變化也非常敏感。對某一參數的優化會導致另一參數的惡化。由于系統的實驗優化不是可行的選擇，他們不得不依賴于數值模擬。

團隊取得的第二個實質性進展在最近的研究中被證實，他們可以使用一種稱為非平衡格林函數模型的方法精確地模擬復雜的實驗量子級聯激光器。計算必須在強大的計算機集群上進行，其效率足夠高，可以為最優設計進行系統地搜索。該小組具備準確預測器件性能并根據精確的規格制造器件的能力，從而實現了一系列在熱電制冷可達到的溫度范圍持續工作的激光器（見圖a和b）。而且，現有方法絕不是窮途末路，Faist團隊有進一步提高操作溫度的想法，初步結果看起來確實很有希望。

填補太赫茲空白隙

太赫茲量子級聯激光器能夠在無需低溫冷卻的情況下工作的首次演示，填補了“太赫茲空白隙”。太赫茲空白隙長期存在于成熟的微波和紅外輻射技術之間。在沒有任何移動部件或循環液體的情況下，ETH物理學家引入的熱電冷卻太赫茲量子級聯激光器更容易突破專業實驗室的限制進行應用和維護，從而進一步揭開“太赫茲寶箱”的“蓋子”。