研究人员现已开发出一种紧凑的新型探测器，该探测器将量子物理与特制的超表面相结合，显著改善了太赫兹辐射的捕获及其向电信号转换的方式。他们的研究成果最近发表在《先进光子学》（Advanced Photonics）上。
太赫兹探测的量子方法
这种新器件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。
与传统的光电探测器不同，这种机制不要求光子超过最低能量阈值。由于该过程完全发生在材料平面内，它还避免了此前限制探测器设计的几个效率瓶颈。
此前基于同一原理的探测器显示出颇具前景的灵敏度，但由于依赖单个天线元件，它们只能捕获一小部分入射辐射。
超表面将辐射集中到微小探测区域
为了克服这一局限，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集中到极小区域的图案化结构。
该器件采用重复的“砖砌”图案，具有双重作用。它收集入射的太赫兹辐射，并将其引导至发生探测过程的狭窄间隙中。
每个间隙都充当一个独立的探测器。通过在表面分布许多此类探测元件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。
这种方法无需外部光学器件或复杂的探测器阵列。它还确保入射辐射仅集中在直接有助于信号产生的区域。
集成光收集与探测功能
研究团队并非分开设计探测器和光收集系统，而是从超表面本身入手，将探测元件直接构建在电场最强的区域。
独立的光电可调台阶（PETS）探测元件被嵌入超表面的电容间隙中。
“这确保了超表面与探测元件的最佳耦合，”通讯作者Wladislaw Michailow指出，他曾在英国剑桥大学领导这项研究，随后在斯旺西大学继续工作。
“与并联多个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，包括间隙尺寸和重复单元之间的间距。这些参数决定了电场的受限程度以及最终产生的光电流大小。最终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。
兼容半导体的设计
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。其制造工艺与场效应晶体管已采用的技术相似，为与现有电子系统集成提供了一条实用途径。
由于超表面本身会聚集入射辐射，因此不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JianCe的电响应，与入射信号的开-关调制模式相吻合。
效率提升二十倍
测量结果显示其响应度为2.7安培/瓦。
该概念验证器件在1.9 THz频率下还实现了2.1%的外量子效率，与此前展示的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。这有助于通过消除暗电流来降低噪声。
“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（夏若乔，音译）指出，她在剑桥大学卡文迪许实验室半导体物理小组攻读博士期间参与了器件的制造与测量。
由于该设计可进行几何缩放，同一概念有望适用于从微波到中红外波段的广泛频率范围。
多领域的潜在应用
这种平面架构还具有实用优势。由于兼容标准半导体制造工艺，该探测器可直接与片上电子器件集成。
使用平面超表面消除了对外部光学组件进行精密对准的需求，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，该技术可能在比许多竞争探测器平台更高的温度下工作。类似的PETS探测器已经证明可在紧凑型低温冷却器可达到的温度下工作，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探测器之间的重要空白，从而可能扩展太赫兹技术在实际应用中的范围。
这项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。
“由于太赫兹技术能够赋能无线网络、医疗保健、天文学、生物医学、制造业质量保证等诸多领域的应用，这些结果显得尤为引人注目，”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。