太赫茲技術，是目(mu)前備(bei)受世界各國科(ke)學家廣泛關注的前沿科(ke)技之一(yi)。

1990年之前，人(ren)類(lei)對太(tai)赫茲(zi)波(bo)的(de)認識(shi)很有限。近(jin)年來，由于激光技(ji)術(shu)、量子阱技(ji)術(shu)、半導體技(ji)術(shu)的(de)蓬勃(bo)發(fa)展，為生(sheng)成太(tai)赫茲(zi)波(bo)提供了穩定(ding)、可靠的(de)輻射源，促使太(tai)赫茲(zi)輻射的(de)產生(sheng)機(ji)理、檢測技(ji)術(shu)、應用技(ji)術(shu)等方面的(de)研(yan)究得(de)以蓬勃(bo)發(fa)展。

2004年(nian)，美國政府將太(tai)(tai)赫(he)(he)茲技術(shu)(shu)評為“改變未來(lai)世界(jie)的十大技術(shu)(shu)”之(zhi)一。2005年(nian)1月，日本更是將太(tai)(tai)赫(he)(he)茲技術(shu)(shu)列為“國家支柱(zhu)十大重點戰略目(mu)標”之(zhi)首(shou)。2005年(nian)11月，我國政府專門召(zhao)開了“香(xiang)山科技會議”，邀(yao)請國內多位在太(tai)(tai)赫(he)(he)茲領域有影響的院士專門討(tao)論我國太(tai)(tai)赫(he)(he)茲事(shi)業的發展方向并制定發展規劃(hua)。此(ci)外，世界(jie)上其他許多國家與地區政府、機(ji)構、企(qi)業、大學和研究機(ji)構都紛紛投入到太(tai)(tai)赫(he)(he)茲技術(shu)(shu)研發的熱潮之(zhi)中。

什么是太赫茲波？

太赫(he)茲(zi)(zi)波，是指頻(pin)率(lv)范(fan)圍在 0.1～10THz 之(zhi)間，介于(yu)微波和紅外線之(zhi)間的電磁波，這種電磁波對于(yu)人眼來說是不(bu)可見的。太赫(he)茲(zi)(zi)波具(ju)有穿透性(xing)強、安全性(xing)高、定向性(xing)好(hao)、帶寬高、時間與空間分辨率(lv)高等技術優勢(shi)。

（圖片來源：維基(ji)百科）

由于太(tai)赫(he)茲波具有這些卓越的(de)特性，太(tai)赫(he)茲技(ji)術可應(ying)(ying)用(yong)(yong)于成像(xiang)、存(cun)儲(chu)、通信、安檢、雷(lei)達、武(wu)器(qi)、天文、醫學、農業等諸多領域。之(zhi)前，筆者介(jie)紹過太(tai)赫(he)茲技(ji)術相(xiang)關(guan)應(ying)(ying)用(yong)(yong)案(an)例，例如：

（一(yi)）美(mei)國(guo)麻省理(li)工學(xue)院(yuan)的(de)研究人(ren)員利用太(tai)赫茲技術，對一(yi)本合上的(de)書(shu)中的(de)書(shu)頁內容(rong)進(jin)行(xing)成像，無(wu)需(xu)打開書(shu)，就能(neng)閱讀書(shu)中的(de)內容(rong)。

（圖片來源：Barmak Heshmat）

（二）荷蘭(lan)內梅亨大學(xue) FELIX 研究(jiu)所的(de)研究(jiu)人員展示出一(yi)種可以(yi)通(tong)過現有光纖網絡，有效傳輸太(tai)赫茲頻(pin)率信號波的(de)技(ji)術。

（圖片(pian)來(lai)源：荷蘭(lan)內梅亨大學(xue)）

（三）英(ying)國薩塞(sai)克斯(si)大學的物理學家(jia)團隊采用(yong)單像素相機與太赫茲波設計出(chu)一種技術方案，未來有望開發成可檢測爆炸物的機場(chang)掃描(miao)儀。

（圖(tu)片來源：參(can)考資料【2】）

然而，與其他眾多(duo)前沿創新科技一樣，太赫(he)(he)茲技術在發(fa)展過程中(zhong)也(ye)會面臨一些問(wen)題與瓶(ping)頸(jing)。例(li)如，生(sheng)成太赫(he)(he)茲波(bo)的(de)(de)現(xian)有輻射(she)源會消耗太多(duo)能量，或者(zhe)需要強冷卻。為(wei)了解決這一問(wen)題，筆者(zhe)曾(ceng)介紹過德國(guo)凱(kai)澤斯(si)勞滕(teng)工(gong)業大學（TUK）團隊開發(fa)的(de)(de)一種利用(yong)“自旋電流(liu)”生(sheng)成太赫(he)(he)茲波(bo)的(de)(de)新方法。

（圖片來(lai)源：TUK）

然而(er)，任(ren)何(he)進(jin)行(xing)數(shu)據傳(chuan)輸(shu)的(de)(de)系(xi)統不(bu)僅需要(yao)輻(fu)射源發送信號(hao)，也需要(yao)探測(ce)(ce)器(qi)(qi)來接(jie)收信號(hao)。可是，現有(you)太(tai)赫茲(zi)(zi)探測(ce)(ce)器(qi)(qi)存在效率(lv)低下的(de)(de)問題，原因主(zhu)要(yao)是太(tai)赫茲(zi)(zi)波(bo)與檢測(ce)(ce)元件(jian)之間尺(chi)寸不(bu)匹(pi)配。晶(jing)體管(guan)的(de)(de)尺(chi)寸為微米(mi)級，而(er)太(tai)赫茲(zi)(zi)輻(fu)射的(de)(de)典(dian)型波(bo)長(chang)比它長(chang)100倍。這樣(yang)導致了太(tai)赫茲(zi)(zi)波(bo)從探測(ce)(ce)器(qi)(qi)身邊偷偷溜走，沒有(you)任(ren)何(he)交互。

創新

為了解決上述問題，近日俄羅(luo)斯、英國、日本、意(yi)大利的(de)科(ke)研人員們組成的(de)團隊(dui)開出(chu)一種(zhong)基于石墨烯的(de)太赫(he)茲探(tan)測(ce)器(qi)。這項研究發表在(zai)《自然通(tong)信(xin)（Nature Communications）》上。

（圖片來源：tsarcyanide/MIPT新聞辦公室）

技術

1996年，科學家們提議將(jiang)入射(she)波能量壓(ya)縮到(dao)與(yu)檢測器相當的(de)體積中。為此(ci)，探(tan)測器材料將(jiang)支(zhi)持特種(zhong)的(de)“緊湊波”，也(ye)稱為“等(deng)離激(ji)元”。它們代表(biao)了導電(dian)電(dian)子與(yu)相關電(dian)磁場的(de)集體運動，如同風(feng)暴來臨時海面的(de)海浪(lang)被風(feng)吹到(dao)了一(yi)起(qi)。理論上，在波的(de)諧振下，這(zhe)種(zhong)探(tan)測器的(de)效(xiao)率得到(dao)了進一(yi)步提升。

實現這樣(yang)的(de)探測器，比預期的(de)難度還要大。在(zai)大多數半導體材(cai)料中(zhong)，等離激元會(hui)經歷快速衰減(jian)。也就是(shi)說，由于電子與雜質(zhi)的(de)碰(peng)撞，它們(men)逐漸減(jian)弱(ruo)。石墨烯(xi)被(bei)認為是(shi)一種有前途(tu)的(de)解決方案，但是(shi)在(zai)這之前，它還是(shi)不夠潔凈。

這項研究的(de)(de)論文(wen)作者們展示了(le)解決這個長(chang)期(qi)存(cun)在的(de)(de)問(wen)題的(de)(de)一種(zhong)(zhong)方案：諧(xie)振(zhen)的(de)(de)太(tai)赫(he)茲波探測。他(ta)們創造(zao)出一個光(guang)電(dian)探測器（如圖一所示），由(you)封裝在氮化硼晶體之間(jian)的(de)(de)雙層石墨(mo)(mo)烯(xi)組成，并與太(tai)赫(he)茲天線發生耦合(he)。在這種(zhong)(zhong)三(san)明(ming)治結構中，雜質被逐出石墨(mo)(mo)烯(xi)薄片之外，使得(de)等(deng)離激(ji)元(yuan)(yuan)更加自由(you)地傳播(bo)。被金屬引線束(shu)縛住的(de)(de)石墨(mo)(mo)烯(xi)片形成了(le)一種(zhong)(zhong)等(deng)離激(ji)元(yuan)(yuan)諧(xie)振(zhen)器，而石墨(mo)(mo)烯(xi)的(de)(de)雙層結構帶來了(le)寬(kuan)范(fan)圍的(de)(de)波速調節。

圖一：晶體管溝道(dao)，由雙層石(shi)墨(mo)烯（BLG）構成，如同三明治一般夾在(zai)兩個六方(fang)氮化硼（hBN）晶體之間(jian)(jian)。這(zhe)種結構安裝在(zai)氧化硅襯底（灰色）之上(shang)。太赫茲天(tian)線的兩個套(tao)筒連(lian)接在(zai)源極(ji)與柵極(ji)之間(jian)(jian)，也(ye)就是(shi)左邊與上(shang)邊的電極(ji)（金(jin)色）。信號(hao)電壓在(zai)源極(ji)與漏極(ji)（左邊和右邊的電極(ji)）之間(jian)(jian)讀出。

（圖片來源(yuan)：tsarcyanide/MIPT新聞辦公(gong)室）

實際上(shang)，團隊開發(fa)出(chu)一種(zhong)緊(jin)湊的太赫茲(zi)光譜儀，尺寸僅(jin)為(wei)幾微米(mi)，可(ke)通過電(dian)壓調諧(xie)控制諧(xie)振頻率。物理學家們也展示(shi)了他們的探測(ce)器用(yong)于基礎研究的潛力：在不同(tong)頻率與電(dian)子密度下測(ce)量探測(ce)器中(zhong)的電(dian)流，揭示(shi)出(chu)等(deng)離激元(yuan)的特性。

石墨烯基(ji)太(tai)赫茲(zi)探(tan)測器（圖片來源：參(can)考(kao)資料【3】）

價值

論(lun)文合著者之(zhi)一，俄羅(luo)斯莫斯科物理技(ji)術學(xue)院光(guang)電二維材(cai)料實驗室的(de)領頭人(ren) Dmitry Svintsov 表(biao)示：“我(wo)們(men)的(de)設(she)備(bei)既可以作為敏感的(de)探(tan)測(ce)器(qi)，也(ye)可以作為工作在太赫(he)茲范圍的(de)光(guang)譜儀，同時也(ye)是研(yan)究二維材(cai)料中(zhong)等離激元的(de)一種工具(ju)。所有這(zhe)(zhe)些之(zhi)前的(de)探(tan)測(ce)器(qi)都有，但是這(zhe)(zhe)些探(tan)測(ce)器(qi)卻占據了整個(ge)光(guang)學(xue)工作臺。我(wo)們(men)將(jiang)同樣的(de)功能打(da)包到十來微米(mi)的(de)體積(ji)中(zhong)。”

關鍵字

太赫茲技術、等離激元、石墨烯(xi)

參考資料

【1】//mipt.ru/english/news/new_t_wave_detector_uses_waves_of_the_electronic_sea_in_graphene

【2】//pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.8b00653

【3】//dx.doi.org/10.1038/s41467-018-07848-w