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导读
背景 传统电子器件的频率一般可达到100GHz左右。光电子器件采用起始于10THz的电磁波。这一频率范围（100GHz ~ 10THz）的电磁波也被称为“太赫兹波”。 太赫兹波技术的用途却非常广泛，例如：射电天文学、医学、通信、雷达、电子对抗、电磁武器、无损检测、军事等诸多领域。为了使大家能够更直接地了解太赫兹技术的应用，首先让我们回顾一下笔者以往介绍过的两个典型案例： 1）美国麻省理工学院的研究人员利用太赫兹技术，对于一本合上的书中的书页内容进行成像。这样一来，你无需翻开书本，就可以阅读其中的内容。 （图片来源：Barmak Heshmat） 2）俄罗斯莫斯科物理技术学院（MIPT）的科学家与他们的德国和荷兰同事一起研发出用太赫兹频段的电磁脉冲切换计算机存储单元的存储状态，比磁感应开关的速度快几千倍。 （图片来源:莫斯科物理技术学院） 然而，在太赫兹频率范围内生成、转换、检测信号的元件却非常难以实现。 创新 近日，德国慕尼黑工业大学领导的科研团队首次成功地采用尺寸只有几个纳米的金属天线，在芯片上生成超短电脉冲，然后在表面之上几毫米处运行信号，并以一种可控的方式读取它们。 相关实验得到了欧洲研究委员会（ERC）的“NanoREAL”项目和“慕尼黑纳米系统创新集群”（NIM）的资助。 如下图所示：从泵浦激光器（左）发射出的飞秒脉冲产生出太赫兹频率的片上电脉冲。通过右边的激光器，信息被再一次读取。 （图片来源：Christoph Hohmann / NIM, Holleitner / TUM） TUM 的物理学家 Alexander Holleitner 和 Reinhard Kienberger 成功地采用等离激元微型天线，生成频率达10THz 的电脉冲，并通过芯片运行这些电脉冲。研究人员之所以称之为“等离激元”天线，是因为它们的形状。它们在金属表面上增加光线强度。 技术 天线的形状很重要。它们是不对称的：纳米尺寸的金属结构的一侧比另外一侧更尖。当透镜聚焦的激光脉冲激发天线时，天线在较尖的一侧发射的电子比较平的另外一侧更多。两个接触点之间会有电流产生，但是只在天线被激光激发的情况下。 如下图所示：具有由蓝宝石上的黄金制成的非对称等离激元天线的芯片的电子显微图像。 （图片来源：A. Holleitner / TUM） 论文领导作者 Christoph Karnetzky 表示：“在光电效应中，光脉冲诱发电子从金属进入真空。所有的光照效果都是在较尖的一侧更强，包括我们用于生成少量的电流的光电效应。” 光脉冲仅仅持续几飞秒（1飞秒只有1秒的一千万亿分之一），相应地，天线中的电脉冲也很短。从技术角度说，这种结构特别有趣，是因为纳米天线可被集成到尺寸仅为几毫米的太赫兹电路中。 Karnetzky称，通过这种方式，频率为200THz 的飞秒激光脉冲能在芯片上的电路中生成频率达10THz超短的太赫兹信号。 研究人员采用蓝宝石作为芯片材料，因为它不会受到光学刺激，因此不会产生干扰。考虑到未来的实际应用，他们也采用了在传统互联网光纤中应用的波长为1.5微米的激光。 Holleitner 及其同事还有另外一个惊人的发现：电脉冲和太赫兹脉冲都与激光器使用的激励功率非线性相关。这表明，天线中的光电效应是由每个光脉冲中的多光子吸收触发的。 价值 这项技术将促进强大的新型太赫兹元件的开发。此外，Alexander Holleitner 称：“如此快速、非线性的片上脉冲之前一直不存在。”他希望利用这一效应，在天线中探索更快速的隧道发射效应，并将它们应用于芯片。 关键字
参考资料 【1】https://www./nc/en/about-tum/news/press-releases/detail/article/34767/ 【2】C. Karnetzky, P. Zimmermann, C. Trummer, C. Duque-Sierra, M. Wörle, R. Kienberger, A. Holleitner. Towards femtosecond on-chip electronics based on plasmonic hot electron nano-emitters. Nature Communications June 25, 2018 - DOI: 10.1038/s41467-018-04666-y 本文转自： 环球创新智慧 THz波（太赫兹波）包含了频率为0.1到10THz的电磁波。该术语适用于从电磁辐射的毫米波波段的高频边缘（300 GHz）和低频率的远红外光谱带边缘（3000 GHz）之间的频率，对应的波长的辐射在该频带范围从0.03mm到3mm（或30~3000μm）。 太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。 THz时域光谱技术 目前已经开始商业化运作，世界范围内已经有多家企业开始生产商用THz时域光谱仪，主要是中国，美国，欧洲和日本的厂家。THz时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场，通过傅立叶变换获得被测物品的光谱信息，由于大分子的振动和转动能级大多在THz波段，而大分子，特别是生物和化学大分子是具有本身物性的物质集团，进而可以通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定。一个比较重要的应用可以作为药品质量监管。设想一下制药厂的流水线上安装一台THz时域光谱仪，从药厂出厂的每一片药都进行光谱测量，并与标准的药物进行光谱对比，合格的将进入下一个环节，否则在流水线上将劣质药片清除掉，避免不同药片或不同批次药片的品质差异，保证药品的品质。 THz成像技术 跟其他波段的成像技术一样，THz成像技术也是利用THz射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。THz成像技术可以分为脉冲和连续两种方式。前者具有THz时域光谱技术的特点。同时它可以对物质集团进行功能成像，获得物质内部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易获得葵花子的内部信息。图3-4 给出了葵花籽样品的实物照片和相应方法重构的THz 透射图像，能清晰地分辨果壳的轮廓和隐藏在果壳中果仁的形状，这是最希望的。同样，如果样品是人的牙齿，那么牙齿的正常部分与损蛀部分将很容易的区分开，同时不必照射x射线，对人体没有附加伤害。 安全检查 利用安全检查应该说是现阶段最吸引人的THz技术，它的本质原理是THz成像，目前由于目前主要采用连续波THz源，而且又由于它要解决的是目前最受人关注的反恐、缉毒等最让人关注的问题，所以单列出来。目前英国发展的THz安检设备已经进入试用阶段。由于THz射线的穿透性和对金属材料的强反射特性，并且THz的高频率使得成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品。同时如果结合THz的物质鉴别特性，能够区分你身上是否携带炸药或毒品。首都师范大学THz实验室已经建立了常见的炸药和毒品的数据谱库，可以设想再过几年，可以真正在机场见到真正的THz安检的设备。另外，世界范围内引起社会动荡的自杀式炸弹恐怖袭击，也可以利用THz安检设备进行防范。因为站岗的可以不再是士兵或保安人员，而是THz安检仪，人们不需要靠近可疑分子就可以对其进行检查。 THz雷达 实际上也是成像的一种。鉴于大气中水分对THz射线的强吸收作用，所以近距离雷达是THz射线的优势所在。一个非常让人向往的应用是穿墙雷达和探雷雷达，当然也可以用于抗震救灾中遇难者的搜救，目前还处于研发阶段。这是由于墙壁，木材等材料对THz透过，而人体包含大量水分，不透过THz，因此可以透过墙壁侦查到屋内的人员的分布和活动，将反恐怖反绑架起到深远的影响，同理也可以用于废墟下人体的寻找。而探雷雷达是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透过THz射线，而地雷将会把THz射线反射回来，从而可以发现目标。 天文学 在宇宙中，大量的物质在发出THz电磁波。 炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。 通信技术 THz用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，特别是卫星通信，由于在外太空，近似真空的状态下，不用考虑水分的影响，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。虽然由于缺乏高效的THz发射天线和源，使其还无法在通信领域商业化，但这必将由新型的发射装置和发射源所解决 。 太赫兹辐射 德国研究人员利用超级计算机计算发现，利用强烈的太赫兹辐射，可实现在不到万亿分之一秒内瞬间将微量水烧开。 太赫兹辐射是指频率从0．1太赫兹到10太赫兹，波长介于毫米波与红外线之间的电磁辐射区域。一太赫兹等于一万亿赫兹。 德国电子同步加速器研究所报告说，强烈的太赫兹辐射可引发水分子剧烈震动，打断水分子间的氢键。这种方法可将约一纳升（十亿分之一升）水在半皮秒（一皮秒为一万亿分之一秒）内加热至600摄氏度。 报告指出，一纳升水虽然听起来不多，但对很多实验来讲已经足够。一皮秒比一眨眼的时间还要快很多，因此这种烧开水的方法可称得上是迄今最快的。 虽然这一“烧水”法尚未投入实践，但研究人员表示，水在许多化学与生物过程中扮演重要角色，新发现或可为化学与生物领域提供更多实验可能。 [2] 生物医学 中国工程院院士杜祥琬院士指出，在所有物理技术中，电磁波技术对医学的促进作用尤其突出。从1901年X线获得第一届诺贝尔物理学奖开始，已有5项与生物医学相关的诺贝尔奖授予了X光谱技术领域。 太赫兹技术在生物医学方面的应用，生物大分子相互作用是重大生命现象与病变产生的关键动因，而太赫兹光子能量覆盖了生物大分子空间构象的能级范围。该频段包含了其他电磁波段无法探测到的直接代表生物大分子功能的空间构象等重要信息。因此，可以发展一种利用太赫兹探测和干预生物大分子相互作用过程的新理论和新技术，为当前重大疾病诊断、有效干预提供先进的技术手段。 中国工程物理研究院流体物理研究所李泽仁研究员也表示，目前通过国家对太赫兹源、探测器及成像系统等关键技术与仪器设备的大力支持，我国已基本具备开展太赫兹生物医学研究的基础。 [3] 其他 此外，太赫兹在半导体材料、高温超导材料的性质研究等领域也有广泛的应用。研究该频段不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。 目前，笼统的说THz技术的研究主要围绕三大部分内容展开，THz产生源、THz探测和应用研究。目前最大的困难还是没有高功率便携式连续可调的成本较低的THz发射源和满足现实要求的滤光片，另外也没有能够常温下直接探测太赫兹射线的被动式探测器。 |
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