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来源：phys.org; 中国太赫兹研发网余郑璟博士编译

美国斯坦福大学研究人员测量石墨烯超晶格传导。二维材料图中用绿色显示。
实验人：Menyoung Lee

人类已经掌握了大部分的电磁光谱并在不同科技领域中加以应用，从X光到无线电波，但在光谱内仍有一段仿佛还遥不可及。这就是著名的太赫兹空白，位于无线电波和红外线辐射之间。光谱中的这两部分在我们日常的科技中应用十分广泛，包括移动电话、电视遥控和烤面包机。

根据美国斯坦福大学已故教授，同时也是诺贝尔奖获得者Felix Bloch所提出的理论，采用经过内部结构特殊处理的材料，可让其电子按某种特定的路线振荡，由此便可对这些倍受欢迎的太赫兹信号进行引导。

现在，在Bloch教授提出该理论几十年之后，斯坦福大学的物理学家可能已经研发出可能实现该理论振荡的材料，有望有朝一日，能对从太阳能电池到机场安检扫描技术进行提升。该研究团队已经在9月29日的《科学》（Science）杂志上发表了他们的研究成果。

超晶格材料的创新

很久以来，研究人员就设想具有纳米级重复空间格局的材料可能会实现Bloch教授振荡理论，但是技术一直都在追赶理论。这种材料要求电子长距离运动而不发生任何偏移，如果电子流经媒介出现任何微小的瑕疵，都可能会让电子偏离原来的路线，就像小溪绕过岩石和倒伏的树干向前流淌一样。

快速发展的二维材料和超晶格领域，可让这种材料的研发成为现实。超晶格是原子呈周期性点阵模式超薄材料排列的半导体。

为了研究，研究人员创造的二维超晶格采用夹层形式，由两层电绝缘氮化硼薄片夹一层原子石墨烯薄片。石墨烯与氮化硼的原子在间距上稍有不同，因此当它们彼此叠加时，便创造出一种特殊的波干涉模式，称为莫列波纹（moiré pattern）

电子新用途

由于上下两层氮化硼的保护，隔绝了空气和污染物，石墨烯中的电子流动路径平滑，不产生任何偏差，正如理论所需，方可产生太赫兹光波。研究人员能将电子发送、穿过石墨烯层，并在另一端重收集，从而推断其路径中电子的活动。

一般来说，当电压穿过晶体时，电子会沿着电场持续加速，直到发生偏移。在莫列波纹中，研究人员展示电子可以局限在能量的更窄频带中，该研究论文合作者，物理学家David Goldhaber-Gordon表示。结合偏差间非常长的时间，空间上会引起电子振动并在太赫兹频率范围内产生辐射。在生成可控性辐射和太赫兹频率传感方面是一次根本性的成功。

除了把Bloch教授的理论更进一步的变成现实以外，研究人员还在他们的超晶格材料的电子结构中发现了一个完全让人惊讶的变化。

“在半导体中，例如硅，我们可以调节材料中到底可以有几个电子，”Goldhaber-Gordon解释到，“如果我们输入额外电子，其表现就如同它们是负电子。如果我们取出一些，整个系统中电流表现如同它是由正电荷组成，尽管我们知道它其实就是电子。”

但是这一晶格带来全新的逆转：增加更多电子产生正电荷粒子，减少更多电子便回归成负电荷。

今后，对电子特性可逆转的的应用可能形成更为高效的p-n结，对于大多半导体电子器件，如太阳能电池、LED、晶体管等来说，是非常重要的组成元件。一般来说，当光照射p-n结时，能对每个被吸收光子发送一个电子就已经是绝佳表现。但是对于每个光子，新p-n 结可能会发射几个电子，从而更加有效的收获光线能量。

太赫兹与斯坦福，历史与未来

尽管该项研究还没有创造出Bloch振荡器，但科学家们已经展示了在超晶内可以实现电子动能与势能长时间、远距离的保存，该论文作者之一Menyoung Lee补充到，他同时也是Goldhaber-Gordon集团从事研究的研究生。

“我们应用的其实就是固态物理的第一课，这也是Felix Bloch教授很早之前思考出来的问题。事实上我们可以应用它在新型工程材料上引发独特的传导现象，”Menyoung Lee解释到。

太赫兹频率技术最终会促进当今技术的发展。现在，美国机场安检采用微波技术对乘客进行扫描。微波能穿过非金属材料以暴露匿藏的金属物体。Goldhaber-Gordon补充表示，太赫兹光波具有类似的传输特制，只是波长更短，在暴露匿藏物体时可以有更高的分辨率。他还表示，太赫兹扫描器也可以用来检测制造生产线上产品中隐藏的空洞。

本项研究中展示的纯粹电子传导也进一步促进了我们对电子相互作用和电子流的理解。Goldhaber-Gordon表示，他的实验室就计划利用这一技术来创造超窄电子束穿过超晶格。他称这一崭新领域为“二维材料中的电子光学”，因为光束仍按直线传播，并遵守折射定理，如同其他光线一样。

“这将是开启许多可能性的一个领域，”Goldhaber-Gordon表示，“我们仅仅才是刚刚开始。”