2026年6月22日——我们如何能以非侵入方式区分健康和癌变组织？又如何能提升无线通信速度？这两个看似毫不相关的问题或许拥有同一个答案：太赫兹光。太赫兹光的频率范围在0.3至20 THz之间，能与物质相互作用而不造成损伤，并且其数据传输速度比无线电波更快。因此，它非常适合推动生物医学和电信领域的诸多应用，而这些领域需要简单、灵敏且快速的探测器。

然而，挑战巨大：当探测器足够快且能在室温下工作时，噪声水平很高；而当噪声降至最低时，有些探测器只能在窄频率范围和低温冷却下工作，另一些虽然支持宽带工作，但响应时间要慢得多。研究人员并未气馁，而是不断寻求开发接近理想的太赫兹探测器的方法——这种探测器或将使非侵入性黑色素瘤诊断或高速无线通信成为现实。

在ICREA教授Frank Koppens的领导下，ICFO研究人员Domenico De Fazio博士、Sebastián Castilla博士、Karuppasamy P. Soundarapandian博士、Simone Marconi博士、Riccardo Bertini、Roshan K. Kumar博士，与阿拉贡纳米科学与材料研究所（INMA）、萨拉戈萨大学、约阿尼纳大学、伦敦玛丽女王大学、曼彻斯特大学、加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所（ICN2）合作，朝着这个方向迈出了一步。该团队设计了一种基于单层石墨烯的新型器件，在液氮冷却条件下，受到太赫兹辐射时能发出强电信号。这项发表在《ACS光子学》期刊上的研究成果，开辟了构建实用、可调谐且选择性高的太赫兹探测器的途径。

利用声学石墨烯等离激元构建太赫兹腔

这项工作的关键创新在于，基于所谓的声学石墨烯等离激元构建了一个太赫兹腔。声学石墨烯等离激元是电子在石墨烯表面一起运动的波状振荡。该器件使用一个太赫兹天线来汇聚入射的太赫兹辐射，并在石墨烯内部激发出声学石墨烯等离激元，这些等离激元被捕获后形成驻波共振，类似于声音在乐器内部产生共鸣的方式。

这类声学等离激元特别之处在于，能将光压缩到远小于光本身波长的空间尺度（纳米尺度），从而极大增强光与石墨烯的相互作用及其吸收。这种吸收导致石墨烯两个不同区域发生局部加热，使它们的温度升高幅度不同，进而将这一温差转换为可测量的电信号，表明检测到了光。

石墨烯此前已被用于太赫兹探测，主要归功于其与宽频太赫兹频率相互作用的能力、暴露于太赫兹辐射时快速高效的电流产生特性，以及高度可调谐性。然而，由于这种材料仅一个原子厚，除非光与物质相互作用得到显著增强，否则它吸收的自由空间太赫兹辐射很少。因此，之前的石墨烯等离激元过于微弱，导致对太赫兹光的响应不足，或者需要与六方氮化硼（hBN）封装，这一步骤会大大增加制造工艺的复杂性，并使得大规模生产变得困难且昂贵。

“相比之下，我们展示了一种由等离激元腔增强的光响应，其性能比传统最高水平高出30%，即使没有hBN封装也是如此，”该研究的首席研究员ICREA教授Frank Koppens解释道。因此，该平台可用于构建材料识别用的紧凑高效传感器，因为许多化学物质在太赫兹波段会吸收和发射光。“关键在于，”同样参与该研究的Sebastián Castilla博士分享道，“是通过一种名为化学气相沉积的特定生长方法生产出石墨烯单晶，并利用AGP腔共振来汇聚入射的太赫兹场。”

研究团队认为，他们的方案可以启发新的生长方法，进一步降低等离激元损耗，从而使AGP在室温下仍保持强劲；这一里程碑将无疑标志着太赫兹感测领域的转折点。