太赫茲輻射，也被稱為亞毫米輻射，其波長位於微波和可見光之間。它可以穿透許多非金屬材料並探測某些分子的特徵。這些便利的特性可以使其得到廣泛的應用，包括工業質量控制、機場安全掃描、材料的無損表徵、天體物理觀測以及比目前手機頻段帶寬更高的無線通信。

插圖顯示太赫茲照明（右上角的黃色曲線）進入新的相機系統，它刺激納米級孔內的量子點（顯示為照明環）發出可見光，然後使用基於CMOS的芯片（左下角）檢測，就像數碼相機中的那些。

然而，設計檢測和製作太赫茲波圖像的設備一直是個挑戰。因此，大多數現有的太赫茲設備是昂貴的，緩慢的，笨重的，並需要真空系統和極低的溫度。

現在，麻省理工學院、明尼蘇達大學和三星公司的研究人員已經開發出一種新的相機，它可以快速檢測太赫茲脈衝，具有高靈敏度，並且在室溫和壓力下。更重要的是，它可以同時實時捕捉到關於波的方向，或”偏振”的信息，而現有的設備無法做到。這種信息可以用來描述具有不對稱分子的材料，或確定材料的表面細節。

這個新系統使用被稱為量子點的粒子。這些粒子最近被發現在受到太赫茲波的刺激時有能力發射出可見光。然後，這些可見光可以被一個類似於標準電子相機探測器的裝置記錄下來，甚至可以用肉眼看到。11月3日發表在《自然-納米技術》雜誌上的一篇論文描述了這一裝置，作者是麻省理工學院的博士生史嬌健、化學教授Keith Nelson和其他12人。

該團隊製造了兩種不同的裝置，可以在室溫下運行。一個是利用量子點將太赫茲脈沖轉換為可見光的能力，使該裝置能夠產生材料的圖像；另一個是產生顯示太赫茲波偏振狀態的圖像。

新的”照相機”由幾層組成，採用像用於微芯片的標準製造技術製成。基板上有一排納米級的平行金線，用窄縫隔開；上面是一層發光的量子點材料；上面是一個用於形成圖像的CMOS芯片。偏振檢測器使用類似的結構，但有納米級的環形狹縫，這使得它能夠檢測到進入的光束的偏振。

太赫茲輻射的光子具有極低的能量，這使得它們很難被檢測到。因此，這個設備正在做的是將那小小的光子能量轉化為易於用普通相機檢測的可見物。在該團隊的實驗中，該設備能夠在低強度水平上檢測太赫茲脈衝，超過了今天大型和昂貴系統的能力。

研究人員通過拍攝他們設備中使用的一些結構的太赫茲照明照片來證明該探測器的能力，例如納米間隔的金線和用於偏振探測器的環形狹縫，證明了該系統的靈敏度和分辨率。

一個CMOS相機被用來捕捉太赫茲光束的旋轉。資料來源：研究人員提供

開發一個實用的太赫茲相機需要一個產生太赫茲波以照亮一個物體的部件，以及另一個檢測它們的部件。在後一點上，目前的太赫茲探測器要么非常慢，因為它們依賴於檢測波衝擊材料所產生的熱量，而熱量傳播緩慢，要么它們使用相對較快的光電探測器，但靈敏度非常低。此外，直到現在，大多數方法都需要整個太赫茲探測器陣列，每個探測器產生一個像素的圖像。問題在於每一個都相當昂貴，一旦他們開始被用來製造相機，探測器的成本就會開始迅速擴大。

雖然研究人員說他們已經通過新的工作破解了太赫茲脈衝檢測問題，但缺乏良好的源的問題仍然存在–而且世界各地的許多研究小組正在努力解決。尼爾森說，新研究中使用的太赫茲源是一個龐大而繁瑣的激光器和光學設備陣列，不容易被擴展到實際應用中，但基於微電子技術的新源正在順利開發中。

論文的共同作者、明尼蘇達大學電氣和計算機工程系麥克奈特教授Sang-Hyun Oh補充說，雖然目前的太赫茲相機版本要花費數万美元，但該系統使用的CMOS相機的廉價特性使其”向建立實用的太赫茲相機邁進了一大步”。商業化的潛力促使製造CMOS相機芯片和量子點設備的三星公司合作開展這項研究。

尼爾森說，這種波長的傳統探測器在液氦溫度（-452華氏度）下工作，這對於從背景噪聲中挑出能量極低的太赫茲光子是必要的。這種新設備能夠在室溫下用傳統的可見光相機檢測並產生這些波長的圖像，這一點出乎了從事太赫茲領域工作的人的意料。

研究人員說，有許多途徑可以進一步提高這種新相機的靈敏度，包括組件的進一步小型化和保護量子點的方法。他們說，即使在目前的檢測水平上，該設備也可以有一些潛在的應用。

在新設備的商業化潛力方面，Nelson說，量子點現在價格低廉，而且容易獲得，目前被用於消費產品，如電視屏幕。相機設備的實際製造更加複雜，但也是基於現有的微電子技術。事實上，與現有的太赫茲探測器不同，整個太赫茲照相機芯片可以用今天的標準微芯片生產系統來製造，這意味著最終大規模生產這些設備應該是可能的，而且價格相對便宜。

目前，儘管該相機系統離商業化還很遠，但麻省理工學院的研究人員在需要快速檢測太赫茲輻射時已經在使用這種新的實驗室設備。”我們沒有那些昂貴的相機，”納爾遜說，”但是我們有很多這樣的小設備。人們只需將其中一個插入光束中，用眼睛看一下可見光的發射，這樣他們就知道太赫茲光束何時開啟，這真的很方便。”

雖然太赫茲波原則上可以用來探測一些天體物理現象，但這些來源將是極其微弱的，而且新設備無法捕捉這種微弱的信號，該團隊正在努力提高其靈敏度。下一代的研究工作在於把所有東西都做得更小，它的靈敏度也會更高。