麻省理工学院的米凯拉·贾维斯 信用:CC0公共领域 麻省理工学院和滑铁卢大学的研究人员开发了一种高功率便携式量子级联激光器，可以在实验室外产生太赫兹辐射
这种激光有可能用于精确定位皮肤癌和探测隐藏爆炸物等应用
到目前为止，产生足够强大的太赫兹辐射来执行实时成像和快速光谱测量需要远低于200开尔文(-100华氏度)或更低的温度
这些温度只能通过体积庞大的设备来达到，这些设备限制了该技术在实验室环境中的使用
在《自然光子学》上发表的一篇论文中，麻省理工学院电气工程和计算机科学杰出教授胡庆和他的同事报告说，他们的太赫兹量子级联激光器可以在高达250 K (-10华氏度)的温度下工作，这意味着只需要一个紧凑的便携式冷却器
胡说，太赫兹量子级联激光器(微型芯片嵌入半导体激光器)最早发明于2002年，但事实证明，将它们调整到远高于200 K的工作温度非常困难，以至于该领域的许多人猜测，有一个根本的物理原因阻止了它
“有了高工作温度，我们终于可以把它放在一个紧凑的便携式系统中，并把这项突破性的技术带出实验室，”胡说
“这将使便携式太赫兹成像和光谱系统成为可能，并将对医学、生物化学、安全和其他领域的广泛应用产生直接影响
" 早在1991年，胡就开始研究太赫兹频率——介于微波和红外之间的电磁波谱带
“2002年，我花了11年时间和三代学生制造了我们自己的[太赫兹量子级联激光器，”他说
从那以后，限制太赫兹辐射使用的最高工作温度一直保持在室温以下
本文中报告的250 K的最大值与2019年设定的210 K的前一个最大值相比有了相当大的飞跃，打破了2012年保持7年不变的200 K的前一个记录
这些激光器只有几毫米长，比人的头发还细，是量子阱结构，带有精心定制的阱和阻挡层
在这个结构中，电子沿着一种阶梯“级联”而下，每一步都会发射出一个轻粒子或光子
《自然光子学》论文中描述的一项重要创新是将激光器内的屏障高度增加了一倍，以防止电子泄漏，这种现象在高温下往往会增加
胡说:“我们知道过势垒电子泄漏是杀手”，如果不用低温恒温器冷却，就会导致系统崩溃
“所以，我们设置了更高的屏障来防止泄漏，这成为了突破的关键
" 胡说，以前，更高的障碍是偶尔探索出来的，但结果都很差
主流观点认为，与较高势垒相关的电子散射增加是有害的，因此应避免较高势垒
研究小组为高护栏的带结构开发了正确的参数，并为设计开发了一个概念新颖的优化方案
这项创新与“直接声子方案”相结合，该方案通过一种配置来保持激光器的工作，在这种配置中，每个模块或结构阶梯的较低激射能级通过声子(或振动能量的单位)散射到基态而迅速减少电子的数量，然后作为电子进入下一步较高能级的注射器，并且重复该过程
正如爱因斯坦早在1916年首次设想的那样，电子在系统中的这种排列对于产生激光是至关重要的
“这些是非常复杂的结构，量子阱和势垒之间有近15000个界面，其中一半甚至不到7个原子层厚，”合著者兹比格·瓦西勒夫斯基(Zbig Wasilewski)说，他是电子和计算机工程教授，也是滑铁卢大学纳米技术捐赠讲座教授
“这些界面的质量和再现性对太赫兹激光器的性能至关重要
在太赫兹光子学这一具有挑战性的领域取得如此重要的进展，需要最强的分子束外延生长能力——我们研究团队的关键贡献——以及我们麻省理工学院合作者在量子器件建模和制造方面的专业知识
" 在医疗环境中，新的便携式系统包括一个小型摄像机和检测器，可以在任何有电源插座的地方工作，可以在常规皮肤癌筛查期间甚至在切除皮肤癌组织的外科手术期间提供实时成像
胡说，癌细胞“在太赫兹波中表现得非常显著”，因为它们比正常细胞具有更高的水和血液浓度
该技术还可以应用于许多行业，在这些行业中，需要检测产品中的异物，以确保其安全性和质量
随着太赫兹辐射的使用，气体、毒品和爆炸物的检测可能变得特别复杂
例如，氢氧化物(一种破坏臭氧的物质)等化合物在太赫兹频率范围内具有特殊的光谱“指纹”，包括甲基苯丙胺和海洛因在内的毒品以及包括三硝基甲苯在内的爆炸物也是如此
“我们不仅可以通过光学不透明材料看到物体，还可以识别这些物质，”胡说
胡说，他看到了一条“清晰的道路”，可以实现不需要冷却器就能产生强大太赫兹波的目标
“使用直接声子方案和更高的壁垒是前进的道路，”他说
“当我们达到室温时，我终于可以看到隧道尽头的光了
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