可見光只是電磁波譜中的一小部分，而對人類視力範圍以外頻率的光波的操縱，已經使手機和CT 掃描等技術成為可能。萊斯大學的研究人員已經制定了一項計劃，以利用頻譜中以前未使用的部分。

圖為萊斯大學新興量子和超快材料實驗室研究生徐睿製作的三個超快太赫茲場聚光器樣品。底層（白色正方形可見）由鈦酸鍶製成，其表面圖案為聚光器結構–可集中太赫茲頻率紅外光的微觀同心圓陣列。這些陣列在顯微鏡下清晰可見（插圖），但用肉眼觀察時，就像細粒度的點狀圖案。圖片來源：Gustavo Raskosky 拍攝/Rui Xu/萊斯大學添加插圖

識別光譜中的差距

萊斯大學三年級博士生、最近發表在《先進材料》（Advanced Materials）雜誌上的一篇文章的第一作者徐睿說：”中紅外光和遠紅外光存在明顯的差距，大約在5- 15 太赫茲的頻率和20-60 微米的波長范圍內，與較高的光學頻率和較低的無線電頻率相比，目前還沒有很好的商業產品。”

這項研究是在威廉-馬什-萊斯講座教授、材料科學與納米工程助理教授朱涵宇（Hanyu Zhu）的新興量子與超快材料實驗室進行的。

量子準電透鏡（截面圖），可聚焦頻率為5-15 太赫茲的光脈衝。傳入的太赫茲光脈衝（紅色，左上角）通過鈦酸鍶（藍色）基底上的環形聚合物光柵和圓盤諧振器（灰色）轉換成表面聲子-極化子（黃色三角形）。黃色三角形的寬度表示聲子-極化子在到達用於聚焦和增強出射光的圓盤諧振器（右上角紅色）之前，通過每個光柵間隔傳播時電場的增加。左下方的鈦酸鍶分子原子結構模型描述了聲子-極化子振盪模式中鈦（藍色）、氧（紅色）和鍶（綠色）原子的運動。圖片來源：Zhu 實驗室/萊斯大學提供

太赫茲間隙的重要性和挑戰

Zhu說：”這一頻率區域的光學技術–有時被稱為’新太赫茲間隙’，因為它遠比0.3-30太赫茲’間隙’中的其他頻率區域更難以接近–對於研究和開發用於接近室溫的量子電子學的量子材料，以及感知生物分子中的功能基團以進行醫學診斷，可能非常有用。”

研究人員面臨的挑戰一直是找到合適的材料來承載和處理”新太赫茲間隙”中的光。這種光會與大多數材料的原子結構產生強烈的相互作用，並很快被它們吸收。

萊斯大學材料科學與納米工程系學生Rui Xu 是一項研究的第一作者，該研究表明鈦酸鍶有可能在3-19 太赫茲頻率下實現高效光子設備。圖片來源：Gustavo Raskosky 拍攝/萊斯大學

鈦酸鍶和量子順電性

Zhu 的研究小組利用鈦酸鍶（一種鍶和鈦的氧化物）將強相互作用轉化為優勢。

Xu說：”它的原子與太赫茲光的耦合如此強烈，以至於形成了被稱為聲子-極化子的新粒子，這些粒子被限制在材料表面，不會在材料內部消失。”

其他材料支持更高頻率的聲子-極化子，而且通常支持的範圍很窄，而鈦酸鍶則不同，它支持整個5-15 太赫茲間隙的聲子-極化子，這是因為鈦酸鍶具有一種稱為量子順電性的特性。鈦酸鍶的原子表現出巨大的量子波動和隨機振動，因此能有效捕捉光線，而不會被捕捉到的光線自我捕獲，即使在零開爾文溫度下也是如此。

“我們通過設計和製造超快場聚光器，證明了鈦酸鍶聲子-極化子器件在7-13 太赫茲頻率範圍內的概念，”Xu 說。”這種器件能將光脈衝擠壓到小於光波長的體積內，並保持較短的持續時間。因此，我們實現了每米近千兆伏的強瞬態電場。

Hanyu Zhu 是萊斯大學威廉-馬什-萊斯講座教授兼材料科學與納米工程助理教授。圖片來源：Jeff Fitlow 攝影/萊斯大學

未來影響與應用

電場是如此之強，以至於它可以用來改變材料的結構，從而產生新的電子特性，或者從微量的特定分子中產生新的非線性光學響應，這種響應可以用普通的光學顯微鏡檢測到。Zhu說，他的研究小組開發的設計和製造方法適用於許多市售材料，可以實現3-19太赫茲範圍內的光子設備。