超表面结合面内光电效应，研发高灵敏度太赫兹探测器

太赫兹频段范围为 100GHz 至 10THz，该区间存在行业公认的 “太赫兹间隙” 技术难题。对应频率对常规电子器件而言频率过高、波长过短，对光学器件而言又频率偏低、波长偏长，传统设备难以完成稳定探测。英国剑桥大学与斯旺西大学联合团队结合新型量子物理机制与超表面结构，开发出新的太赫兹探测器件，解决传统方案接收辐射量不足、灵敏度偏低的问题。

砖纹超材料 MetaPETS 探测器结构示意图

(a) 探测器整体结构，(b) 局部放大，虚线框为单元晶胞并标注正交方向晶胞长宽，(c) 电容缝隙放大，台面边缘

导电区域向内收缩，(d) 右下角单元光电流汇总，红箭头标示电子流向，栅极分别施加正负电压，(e) 光电流检测电路 

常规光电效应指高能电磁波照射金属材料时向外激发出电子形成电流，也是早期量子物理的核心理论。本次探测器依托 2022 年才被观测证实的面内光电效应，太赫兹光子将能量传递至二维电子气内部束缚电子，高能电子跨过预设电势台阶，生成可采集的电信号。该机制不要求光子达到固定最低能量阈值，同时规避传统光电探测器存在的多项效率损耗缺陷。早期基于该原理的设备仅采用单天线结构，只能捕获少量入射太赫兹辐射，探测能力存在明显短板。

研究团队设计砖纹重复图案超表面结构，可将电磁波能量聚集在远小于入射波长的狭小区域，每一处电容间隙都能作为独立探测单元。大量探测单元排布在超表面并完成电路互联，叠加输出更强电信号；团队将光电可调台阶探测单元集成在电磁场强度最高的电容间隙中，强化超表面与探测单元的耦合效果，大幅提升整体探测灵敏度。器件制备采用具备高迁移率电子气的半导体基底，工艺流程与场效应管成熟制造工艺相近，便于后续和电子电路集成。超表面本身可完成辐射汇聚，无需搭配硅透镜等外部聚焦元件，简化装配流程、降低硬件成本，适合批量生产。

探测器光电响应实测数据图谱

研发人员将原型设备降温至 10K 环境，使用 1.9THz 附近辐射开展测试，设备可跟随辐射通断输出稳定电信号，实测响应度为 2.7A/W，1.9THz 下外量子效率达 2.1%，综合性能相比前代同类型 PETS 探测器提升约 20 倍，性能提升主要来源于超表面对入射辐射的高效收集与定向传导。相关完整理论与实验内容发布于《Advanced Photonics》期刊论文。团队表示该技术仍有优化空间，现有同原理设备可依靠小型制冷机实现稳定工作，无需液氦低温环境，未来有机会在更高温度下稳定运行，相比多数同类探测设备具备环境适配优势。