維也納技術大學Petr Ou?edník認為，新型雙諧振隧穿二極管的潛在應用多種多樣

太赫茲輻射的波長通常不到1mm，該波段是技術上比較難以產生的范圍。通常情況下，普通的電子元件(如晶體管)和天線可以產生比太赫茲波更長的電磁波;而使用激光器、LED等普通光源，可以獲得比太赫茲波更短的光波。

據麥姆斯咨詢報道，奧地利維也納技術大學(TU Wien)目前已成功地開發出一種非常簡單且緊湊的太赫茲輻射源——雙諧振隧穿二極管振蕩器。該器件的輻射功率明顯優于同類器件。這項新技術已發表于Applied Physics Letters，論文鏈接為：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0068114。

雙諧振隧穿二極管振蕩器的設計圖

芯片級尺寸的太赫茲輻射源

“如今，可以產生太赫茲波的方法多種多樣。”維也納技術大學電動力學、微波和電路工程研究所的Michael Feiginov教授評論道，“例如，可以使用量子級聯激光器產生太赫茲波。有了量子級聯激光器就可能獲得太赫茲波所需的高強度，但這些器件必須制冷到非常低的溫度才能正常工作。”

此外，還可以使用大型、復雜的光子系統來產生太赫茲波，這種系統是將多種光學激光器的輻射混合在一起，以產生更長的波長。這種方法讓以靈活方式產生所需波長成為可能。“然而，我們的目標是開發出一種簡單且非常緊湊的太赫茲輻射源。”Feiginov教授表示，“如果我們希望未來將一項技術應用于日常設備中，那么這種太赫茲輻射源必須尺寸很小，并且能在正常室溫下工作。”

為了實現這些需求，該團隊既沒有使用光學級聯激光器，也沒有使用量子級聯激光器，而是采用了簡單的振蕩器。“振蕩器在電氣工程中很常見。”該研究第一作者Petr Ou?edník表示。如果某些線圈、電容等電子元器件是耦合的，那么能量就能在它們之間來回流動，從而產生電磁輻射。“但問題在于通常有大量損耗，可以將它想象成電阻。”Ou?edník補充道，“這通常可以確保這些諧振電路中的振蕩器在短時內停止工作。”

雙諧振隧穿二極管振蕩器的掃描電鏡圖

量子力學技巧重塑普通振蕩器

然而，這種情況可以利用量子物理技巧來改變。“我們使用了諧振隧穿二極管，使電流通過隧穿在兩勢壘間流動。”Ou?edník解釋道，“在我們的結構中，勢壘之間的量子阱特別窄，因此只有非常特定且極少量的電子態存在。”再通過施加電壓，這些電子態及其能量就可以發生改變。

正常情況下，電流會隨電壓的升高而增加，電阻則限定了其范圍。然而，在諧振隧穿二極管中，則可能產生相反的效果：如果電壓升高，量子阱中的電子態可能不再與結構中其他部分的電子態匹配。

這意味著電子不能再從一個區域躍遷至另一個區域，這會導致電流減少而非增加。因此電阻變成了負值。“然而，在振蕩電路中有負電阻就意味著振蕩電路并不會失去能量，而是獲得了能量。電磁振蕩會自行持續，同時外部直流電會被轉換為太赫茲輻射，”Feiginov教授詳細解釋道。

應用領域多種多樣：從智能手機到射電天文學

這項技術的顯著特點不僅在于其產生的太赫茲輻射強度相當高，還在于其小尺寸：整個結構比1mm小得多。因此，該器件有望嵌入智能手機等緊湊型設備中。

“目前已有太多的應用領域，我們甚至無法判定哪種是最現實的。”Michael Feiginov教授感嘆道，“太赫茲輻射已經應用于射電天文學，人們還可以用它來透視光學不透明的物體，例如可用于機場的安全檢查，以及材料測試。”

“另一種令人興奮的應用是化學傳感器：不同的分子可以通過其吸收太赫茲波譜中特定波長的特征來識別。而這些所有技術和應用都將受益于這款簡單且緊湊的太赫茲輻射源，這也正是我們團隊一直期望做出的重要貢獻。”