研究人员开发出一种紧凑型量子探测器，使太赫兹辐射更易于探测。一种专门设计的超表面将入射能量汇集到微小的有源区中，极大地增强了所产生的电信号。与早期设计相比，该方法将效率提升了约20倍，有望为医疗保健、通信和科学研究领域的实用化太赫兹器件铺平道路。
研究人员现已开发出一种新型紧凑型探测器，它将量子物理与一种专门设计的超表面相结合，显著改善了太赫兹辐射的捕获及其向电信号转换的方式。他们的发现最近发表在《先进光子学》（Advanced Photonics）上。
太赫兹探测的量子方法
该新设备依赖于一种被称为面内光电效应的现象。在此过程中，入射的太赫兹光子将能量传递给被限制在二维电子气中的电子。这些获得能量的电子越过精心设计的势垒台阶，产生可测量的电流。
与传统光电探测器不同，该机制不要求光子超过最小能量阈值。由于该过程完全发生在材料平面内，它也避免了此前限制探测器设计的几个效率瓶颈。
基于相同原理的早期探测器显示出有前景的灵敏度，但由于它们依赖于独立的天线单元，因此只能捕获入射辐射的一小部分。
超表面将辐射聚集到微小探测区域
为了克服这一限制，研究团队围绕超表面设计了该探测器，这是一种能够将电磁能量聚集到极小区域的图案化结构。
该装置采用重复的“砖砌”图案，具有双重用途。它收集入射的太赫兹辐射，并将其引导进入发生探测过程的狭窄缝隙中。
每个缝隙都作为一个独立的探测器发挥作用。通过在表面上分布许多此类探测单元并在电子学上将它们连接在一起，研究人员能够将其输出合并为更强的总信号。
这种方法消除了对外部光学元件或复杂探测器阵列的需求。它还确保了入射辐射仅被聚集在直接有助于产生信号的区域。
集成光收集与探测功能
研究团队没有将探测器和光收集系统分开设计，而是从超表面本身入手，将探测单元直接构建在电场最强的区域。
独立的光电可调势阶（PETS）探测单元被嵌入在超表面的电容缝隙内。
“这确保了超表面与探测单元的最佳耦合，”通讯作者Wladislaw Michailow指出，他曾在英国剑桥大学领导这项研究，后在斯旺西大学继续进行。
“与连接多个并联器件的传统方法相比，这种方法使我们能够显著提高探测灵敏度，”Michailow补充道。
研究人员利用计算机模拟优化了重要的结构特征，包括缝隙尺寸和重复单元之间的间距。这些参数决定了电场的限制程度以及最终产生的光电流大小。最终的设计平衡了场增强与电子通道宽度，以最大化可测量的输出。
半导体友好型设计
该探测器是利用包含高迁移率电子气的半导体结构制造的。其制造工艺与已用于场效应晶体管的技术相似，为与现有电子系统集成提供了一条实用途径。
由于超表面本身聚集了入射辐射，因此不再需要硅透镜等外部聚焦组件。这简化了组装过程，并可能使大规模制造更加切实可行。
为了测试该器件，研究人员将其冷却至10 K，并使其暴露于约1.9 THz的辐射下。探测器产生了清晰的电响应，与入射信号的开关调制模式相匹配。
效率提升二十倍
测量结果显示其响应度为2.7安培/瓦。
该概念验证器件还在1.9 THz频率下实现了2.1%的外量子效率，与此前演示的PETS探测器相比，效率提升了约二十倍。
据研究人员介绍，这种性能提升很大程度上归功于超表面捕获更大比例入射辐射并将其直接聚焦到探测器有源区的能力。
另一个优势是该探测器在零源漏偏压下工作。这通过消除暗电流有助于降低噪声。
“这些器件是在零偏压下工作的直接探测器，因此它们工作时没有暗电流，”第一作者Ruqiao Xia指出，她作为剑桥大学卡文迪许实验室半导体物理小组博士研究的一部分，制造并测量了这些器件。
由于该设计可以进行几何缩放，同一概念潜在地可适用于从微波到中红外波长的广泛频率范围。
多领域的潜在应用
这种平面架构也提供了实际的好处。由于它与标准半导体制造工艺兼容，该探测器可以直接与片上电子器件集成。
使用扁平超表面消除了对外部光学组件精确对准的需求，与许多现有的太赫兹系统相比，简化了封装和部署。
研究人员还认为，该技术可能比许多竞争性探测器平台在更高的温度下工作。类似的PETS探测器已经证明了在紧凑型低温冷却器可达到的温度下的性能，而无需液氦冷却。
这可能有助于填补高灵敏度低温探测器与低灵敏度室温器件之间的重要空白，从而潜在地扩展太赫兹技术的实际应用范围。
该研究代表了基于二维电子系统的量子超表面光电探测器的首次演示。通过将高效的光捕获与灵敏的量子探测机制相结合，这项工作标志着在克服太赫兹技术长期挑战方面迈出了重要一步。
“这些结果特别令人感兴趣，是因为太赫兹技术能够赋能的应用，如无线网络、医疗保健、天文学、生物医学、制造业质量保证等诸多领域，”合著者、半导体物理小组负责人David Ritchie评论道。
通过将超表面光学器件直接集成到探测器本身，研究人员展示了量子物理和材料工程的进步如何有助于释放太赫兹技术的全部潜力。