?對太赫茲技術(shù)的研究可能是下一代無線和先進(jìn)成像技術(shù)的關(guān)鍵。

太赫茲技術(shù)使用位于紅外光和毫米波長之間的電磁光譜的亞毫米波段。太赫茲輻射的范圍在 30 微米到 3 毫米之間，比紅外光具有更好的深度穿透力，比微波具有更高的分辨率。太赫茲輻射也是非電離的，因此可以安全地在人和動物周圍使用。

電磁波譜中的太赫茲波段。

本文重點(diǎn)介紹太赫茲的一些用途。我們還將討論研究人員如何研究太赫茲信號的生成和檢測以克服無線實(shí)施的挑戰(zhàn)。

太赫茲技術(shù)的用途和挑戰(zhàn)

從世界上第一個太赫茲IC到最緊湊的太赫茲激光器，在過去的一個世紀(jì)里太赫茲波長一直是一個熱門的研究課題。近年來，太赫茲研究在從先進(jìn)傳感和光譜學(xué)到下一代無線通信的方方面面都有潛在應(yīng)用。

太赫茲光譜儀示意圖。圖片由RSC Advances提供 太赫茲技術(shù)在醫(yī)療應(yīng)用中很有用，包括皮膚成像和牙科診斷。它也常用于非破壞性的安全篩選和檢測不需要的材料。也許最常見的是，太赫茲技術(shù)被認(rèn)為可以產(chǎn)生低延遲和快速的無線數(shù)據(jù)傳輸，同時減少擁塞，使其成為第六代無線通信(6G)的可能候選人。 研究人員已經(jīng)證明，使用太赫茲波長可以產(chǎn)生超過 5G 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度。即便如此，這些技術(shù)仍處于早期開發(fā)階段，并面臨路徑損耗等關(guān)鍵挑戰(zhàn)——電磁波在給定介質(zhì)中傳播時的功率密度降低。太赫茲技術(shù)也很昂貴，缺乏有效的光源和探測器設(shè)計，使其無法被廣泛采用。

研究人員研制出高靈敏度太赫茲探測器

最近，來自劍橋大學(xué)、奧格斯堡大學(xué)和蘭開斯特大學(xué)的一組科學(xué)家發(fā)表了他們關(guān)于一種新型的使用二維電子氣體的太赫茲探測器的發(fā)現(xiàn)。電子氣體可以在兩個軸上自由移動，但在第三個軸上卻受到嚴(yán)格限制，因此在3D環(huán)境中以2D平面的形式存在。

通過將傳感器暴露在太赫茲輻射下，研究人員能夠讀出比先前理論更強(qiáng)的信號。他們將這些發(fā)現(xiàn)歸因于電磁波與不同頻率物質(zhì)相互作用的方式——建立在我們已經(jīng)熟悉的光電效應(yīng)之上。

由德國物理學(xué)家海因里?！?shù)婪颉ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超過一定能量閾值的光照射到選定材料的表面時，就會發(fā)生光電效應(yīng)。然后釋放先前與該材料結(jié)合的電子。這是太陽能發(fā)電和光學(xué)成像傳感器等許多重要現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)。 到目前為止，還沒有觀察到光電效應(yīng)在太赫茲范圍內(nèi)起作用。雖然這組科學(xué)家仍然不完全理解他們的發(fā)現(xiàn)如何以及為什么起作用，但他們的實(shí)驗證明為太赫茲技術(shù)的未來帶來了很多好處。這一新特性被命名為“平面內(nèi)”光電效應(yīng)，源自二維電子氣平面。 當(dāng)它檢測到太赫茲輻射時，該團(tuán)隊的傳感器會產(chǎn)生比其他方法強(qiáng)得多的響應(yīng)幅度。這使新探測器具有相當(dāng)高的靈敏度，從而減輕了衰減信號的路徑損耗。

鋰改善太赫茲光子源

太赫茲技術(shù)的另一項最新發(fā)展，這次是在信號生成領(lǐng)域，來自中國南開大學(xué)的一組研究人員和他們在加拿大 INRS-ENT 的同事。在王家一教授、夏世奇教授和王瑞德教授的帶領(lǐng)下，開發(fā)了一種用于新型太赫茲源模塊的鈮酸鋰光子芯片。 所討論的材料是一種非天然晶體，其化學(xué)成分為鋰、鈮和氧。這種材料常用于工程，特別是電信和非線性光學(xué)。

Su-Schrieffer-Heeger型微結(jié)構(gòu)中太赫茲波的非線性產(chǎn)生和限制

該團(tuán)隊使用包含鈮酸鋰波導(dǎo)條的光子微結(jié)構(gòu)制造了他們的傳感器。這些條帶能夠進(jìn)行局部平凡和非平凡（nontrivial transitions）的轉(zhuǎn)變。接下來，他們使用飛秒激光寫入方法，在光子芯片的中心界面插入了拓?fù)淙毕?。該團(tuán)隊直接繪制了一個太赫茲場，展示了沿其芯片的可調(diào)諧限制。使用這種方法，科學(xué)家們通過拓?fù)浔Ｗo(hù)實(shí)現(xiàn)了波限制。 這項研究為工程師提供了一個新平臺來調(diào)整太赫茲輻射的限制和拓?fù)涮匦裕瑸楣庾与娐吩谙冗M(jìn)的電信和成像應(yīng)用中用于信號生成開辟了新的可能性。

推動6G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展

采用太赫茲技術(shù)的一個主要障礙是如何設(shè)計和實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中高效、廉價和可操作的收發(fā)模塊。解決這些問題不僅需要先進(jìn)的醫(yī)療和安全太赫茲傳感器，還需要開發(fā)其他間接依賴于更快無線協(xié)議的新興技術(shù)。 目前的無線技術(shù)不支持全息技術(shù)、人工智能，甚至不支持足夠大規(guī)模的4K視頻流——即使有5G標(biāo)準(zhǔn)的理論限制。劍橋大學(xué)和南開大學(xué)的這兩項新發(fā)現(xiàn)為使用太赫茲頻率的電子產(chǎn)品提供了可能性，推動了第六代無線網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展。

審核編輯 ：李倩