维也纳技术大学Petr Ou?edník认为，新型双谐振隧穿二极管的潜在应用多种多样

太赫兹辐射的波长通常不到1mm，该波段是技术上比较难以产生的范围。通常情况下，普通的电子元件(如晶体管)和天线可以产生比太赫兹波更长的电磁波;而使用激光器、LED等普通光源，可以获得比太赫兹波更短的光波。

据麦姆斯咨询报道，奥地利维也纳技术大学(TU Wien)目前已成功地开发出一种非常简单且紧凑的太赫兹辐射源——双谐振隧穿二极管振荡器。该器件的辐射功率明显优于同类器件。这项新技术已发表于Applied Physics Letters，论文链接为：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0068114。

双谐振隧穿二极管振荡器的设计图

芯片级尺寸的太赫兹辐射源

“如今，可以产生太赫兹波的方法多种多样。”维也纳技术大学电动力学、微波和电路工程研究所的Michael Feiginov教授评论道，“例如，可以使用量子级联激光器产生太赫兹波。有了量子级联激光器就可能获得太赫兹波所需的高强度，但这些器件必须制冷到非常低的温度才能正常工作。”

此外，还可以使用大型、复杂的光子系统来产生太赫兹波，这种系统是将多种光学激光器的辐射混合在一起，以产生更长的波长。这种方法让以灵活方式产生所需波长成为可能。“然而，我们的目标是开发出一种简单且非常紧凑的太赫兹辐射源。”Feiginov教授表示，“如果我们希望未来将一项技术应用于日常设备中，那么这种太赫兹辐射源必须尺寸很小，并且能在正常室温下工作。”

为了实现这些需求，该团队既没有使用光学级联激光器，也没有使用量子级联激光器，而是采用了简单的振荡器。“振荡器在电气工程中很常见。”该研究第一作者Petr Ou?edník表示。如果某些线圈、电容等电子元器件是耦合的，那么能量就能在它们之间来回流动，从而产生电磁辐射。“但问题在于通常有大量损耗，可以将它想象成电阻。”Ou?edník补充道，“这通常可以确保这些谐振电路中的振荡器在短时内停止工作。”

双谐振隧穿二极管振荡器的扫描电镜图

量子力学技巧重塑普通振荡器

然而，这种情况可以利用量子物理技巧来改变。“我们使用了谐振隧穿二极管，使电流通过隧穿在两势垒间流动。”Ou?edník解释道，“在我们的结构中，势垒之间的量子阱特别窄，因此只有非常特定且极少量的电子态存在。”再通过施加电压，这些电子态及其能量就可以发生改变。

正常情况下，电流会随电压的升高而增加，电阻则限定了其范围。然而，在谐振隧穿二极管中，则可能产生相反的效果：如果电压升高，量子阱中的电子态可能不再与结构中其他部分的电子态匹配。

这意味着电子不能再从一个区域跃迁至另一个区域，这会导致电流减少而非增加。因此电阻变成了负值。“然而，在振荡电路中有负电阻就意味着振荡电路并不会失去能量，而是获得了能量。电磁振荡会自行持续，同时外部直流电会被转换为太赫兹辐射，”Feiginov教授详细解释道。

应用领域多种多样：从智能手机到射电天文学

这项技术的显著特点不仅在于其产生的太赫兹辐射强度相当高，还在于其小尺寸：整个结构比1mm小得多。因此，该器件有望嵌入智能手机等紧凑型设备中。

“目前已有太多的应用领域，我们甚至无法判定哪种是最现实的。”Michael Feiginov教授感叹道，“太赫兹辐射已经应用于射电天文学，人们还可以用它来透视光学不透明的物体，例如可用于机场的安全检查，以及材料测试。”

“另一种令人兴奋的应用是化学传感器：不同的分子可以通过其吸收太赫兹波谱中特定波长的特征来识别。而这些所有技术和应用都将受益于这款简单且紧凑的太赫兹辐射源，这也正是我们团队一直期望做出的重要贡献。”