来源：Patrick Kurp, Rice University；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心 马琨 编译

聚焦频率为 5-15 太赫兹的光脉冲的量子顺电透镜（横截面）插图。 传入的太赫兹光脉冲（红色，左上）通过钛酸锶基板（蓝色）顶部的环形聚合物光栅和盘式谐振器（灰色）转换为表面声子极化子（黄色三角形）。黄色三角形的宽度表示声子极化子在到达聚焦和增强出射光（红色，右上）的盘谐振器之前传播通过每个光栅间隔时不断增加的电场。 左下角钛酸锶分子的原子结构模型描绘了声子极化子振荡模式下钛（蓝色）、氧（红色）和锶（绿色）原子的运动。 图片来源：Zhu lab/Rice University

    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。

    “中远红外光存在显著差距，大致频率为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无线电频率相比，目前还没有好的商业产品，”Rice大学三年级博士生、发表在《Advanced Materials》上的一篇文章的主要作者Rui Xu说道。

    这项研究是在合著者、William Marsh Rice主席兼材料科学和纳米工程助理教授Hanyu Zhu的新兴量子和超快材料实验室进行的。

图为Rice大学新兴量子和超快材料实验室研究生Rui Xu制作的三个超快太赫兹场聚光器样品。 底层（可见为白色方块）由钛酸锶制成，具有聚光器结构——集中红外光太赫兹频率的同心环微观阵列——在其表面形成图案。这些阵列在显微镜下可见（插图），但用肉眼观察时呈现出细粒度的点图案。 图片来源：Gustavo Raskosky/Rui Xu/Rice University

    “这个频率区域的光学技术——有时被称为‘新太赫兹间隙’，因为它比其他 0.3-30 太赫兹‘间隙’更难接近——对于研究和开发更接近量子电子学的量子材料可能非常有用。在室温下非常有用，对于传感生物分子中的官能团进行医学诊断非常有用，”Zhu 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。Zhu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。

    Xu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激元的材料不同，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。

    Xu说：“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装置在7-13太赫兹频率范围内的概念。这些设备将光脉冲压缩到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Xiaotong Chen；材料科学和纳米工程博士生Elizabeth Blackert和Tong Lin； Jiaming Luo，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Khalil JeBailey。