自人類發現電磁波以來，已經開發出了各種各樣的應用方式，從手機掃碼到打印技術，涵蓋了從紅外線到紫外線的大部分電磁波譜。但是，在這之外，還有一個關鍵區域至今未能得到應用——太赫茲波段。

太赫茲(Tera Hertz，THz)是波動頻率單位之一，又稱為太赫，或太拉赫茲。1THz=1x10^12Hz，通常用于表示電磁波頻率。

而太赫茲波是指頻率在0.1~10 THz(波長為3000～30μm)范圍內的電磁波，在長波段與毫米波相重合，在短波段與紅外光相重合，是宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區，也是電子學向光子學的過渡區，稱為電磁波譜的“太赫茲空隙(THz gap)”

太赫茲波的波段能夠覆蓋半導體、等離子體，有機體和生物大分子等物質的特征譜;利用該頻段可以加深和拓展人類對物理學、化學、天文學、信息學和生命科學中一些基本科學問題的認識。該技術技術可廣泛應用于雷達、遙感、國土安全與反恐、高保密的數據通訊與傳輸、大氣與環境監測、實時生物信息提取以及醫學診斷等領域。

但遺憾的是，目前這項技術并沒有落地，產生足以進行實時成像和快速光譜測量的太赫茲輻射需要遠低于-73.15℃或更低的溫度。這些溫度只能通過體積龐大的設備來實現，這些設備限制了該技術在實驗室環境外的應用。

不過近日，麻省理工學院和滑鐵盧大學的研究人員開發了一種高功率、便攜式的量子級聯激光器，可以在實驗室外產生太赫茲輻射。

該研究成果以發表在《自然光子學》(Nature Photonics)雜志上。

主導這項研究的麻省理工學院電氣工程和計算機科學教授胡慶(音譯)和其團隊表示，他們的太赫茲量子級聯激光器可以在高達-23.15℃的環境下工作，這意味著只需一個小型便攜式冷卻器即可產生太赫茲輻射。

太赫茲量子級聯激光器是一種嵌入芯片的微型半導體激光器，最早由意大利和英國研究人員發明于2002年。但是，要將其工作環境溫度提高到-73.15℃以上非常困難。直到2009年，研究人員才將溫度提高到-63.15℃。

這項研究再次將溫度提升。該團隊通過更精確地調整激光器的分層結構(難度極大，有些層只有7個原子厚)，來到了零下20度攝氏度左右，基本具備了應用的可能性。

意大利國家研究委員會納米科學研究所的凝聚態物理學家米里亞姆·維蒂耶洛(Miriam Vitiello)評價道：“這是一項偉大的成就，提高太赫茲激光的(工作)溫度一直是學界的長期目標”。

研究人員展示的新型激光器原型，下部為方形冷卻器(圖源：MIT)

這些激光器只有幾毫米長，量子阱結構，帶有精心定制的阱和屏障。在這個結構中，電子沿著一種階梯“級聯”，每一步都發射出一個輕粒子或光子。

除了將工作溫度提高，這項研究的創新之二在于將激光器內的屏障高度增加了一倍，以防止電子泄漏，這種現象在高溫下往往會增加。通常來說，勢壘電子泄露會導致系統崩潰。

因此，該團隊在激光器中的鋁鎵砷阻擋層中加入了更多的鋁，希望能更好地限制電子。團隊還必須防止電子以某種方式相互作用，導致它們通過鋁鎵砷屏障泄漏。

這項研究成果可以與太赫茲探測器協同工作，可能會推動太赫茲成像儀等技術的出現，這些技術能夠在不進行活檢的情況下區分皮膚癌和正常組織，或者探測貨物中隱藏的爆炸物、非法藥物和其他危險物品。

編譯/前瞻經濟學人APP資訊組