金属氧化物的特性可以实现广泛的太赫兹频率光子学

可见光只是电磁频谱的一小部分，对超出人类视觉频率的光波的操纵使得手机和CT 扫描等技术成为可能。

莱斯大学的研究人员计划利用以前未使用的频谱部分。

“中红外光和远红外光之间存在显着差距，频率大约为5-15太赫兹，波长范围为20-60微米，与 更高的光学频率和更低的射频相比，没有好的商业产品，”莱斯大学三年级博士生、《先进材料》 上发表的一篇文章的主要作者徐睿说。

这项研究是在威廉·马什·赖斯 (William Marsh Rice) 主席兼材料科学和纳米工程助理教授朱瀚宇 ( Hanyu Zhu) 的新兴量子和超快材料实验室进行的。

“这个频率区域的光学技术——有时被称为‘新的太赫兹间隙’，因为它比其他 0.3-30 太赫兹‘间隙’更难接近——对于研究和开发接近室温的量子电子学的量子材料，以及传感生物分子中用于医学诊断的功能组非常有用，”朱说。

研究人员面临的挑战是确定在“新太赫兹间隙”中携带和处理光的合适材料。这种光与大多数材料的原子结构发生强烈相互作用，并很快被它们吸收。朱的研究小组将与钛酸锶(一种锶 和钛 的氧化物)的强相互作用转化为优势。

徐说：“它的原子与太赫兹光的耦合如此强烈，以至于它们形成了称为声子极化子的新粒子，这些粒子被限制在材料的表面，并且不会丢失在其内部。”

与其他在较高频率且通常在较窄范围内支持声子极化的材料不同，钛酸锶由于一种称为量子顺电性的特性而适用于整个 5-15 太赫兹间隙。它的原子表现出大的量子涨落 和随机振动，因此即使在零开尔文温度下也能有效捕获光，而不会被捕获的光自捕获。

“我们通过设计和制造超快场集中器，证明了钛酸锶声子极化器件在7-13太赫兹频率范围内的概念，”徐说。“这些设备将光脉冲压缩成小于光波长的体积，并保持较短的持续时间。因此，我们实现了 每米近千兆伏的强瞬态电场。”

电场非常强，可以用来改变材料的结构以产生新的电子特性，或者 从痕量的特定分子中产生新的非线性光学响应，这些分子可以通过普通光学显微镜检测到。Zhu表示，他的团队开发的设计和制造方法适用于许多商用材料，并且可以实现3-19太赫兹范围内的光子器件。

该论文的其他共同作者包括材料科学和纳米工程博士后研究员陈晓通;Elizabeth Blackert 和 Tong Lin，材料科学和纳米工程博士生;罗家明，应用物理专业三年级博士生;Alyssa Moon，现就职于德克萨斯农工大学，曾就读于莱斯大学本科生纳米技术研究体验项目;以及莱斯大学材料科学和纳米工程专业的大四学生哈利勒·杰贝利 (Khalil JeBailey)。

该研究得到了国家科学基金会(2005096、1842494、1757967)和韦尔奇基金会(C-2128)的支持。