可持續(xù)一百萬分之一秒的電磁脈沖將可能成為醫(yī)學(xué)成像、通訊和藥物開發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵。但這種稱為太赫茲波的脈沖，長(zhǎng)期需要復(fù)雜和昂貴的設(shè)備才能使用。
如今，普林斯頓大學(xué)的研究人員已經(jīng)大幅簡(jiǎn)化了太赫茲設(shè)備：把其中的激光和反射鏡等桌面裝置移植到一對(duì)大小和指尖差不多的芯片上。
在最近發(fā)表在《IEEE固體電路》雜志兩篇文章中，研究人員描述了這樣一個(gè)微芯片，可以產(chǎn)生太赫茲波，第二芯片可以捕捉并讀取這些波的錯(cuò)綜復(fù)雜的細(xì)節(jié)。
“這種系統(tǒng)是在一個(gè)硅芯片大小上實(shí)現(xiàn)的，這種芯片技術(shù)如今以應(yīng)用在所有的現(xiàn)代電子設(shè)備中，從智能手機(jī)到平板電腦，因此在一個(gè)批量生產(chǎn)過程中其成本只有幾美元，”首席研究員Kaushik Sengupta說，他是普林斯頓電氣工程專業(yè)的一個(gè)助理教授。
電磁波的未來:可實(shí)現(xiàn)透視物質(zhì)新方法的太赫茲芯片
太赫茲波是電磁頻譜的一部分，電磁頻譜包括無線，X射線和可見光，而前者是位于微波和紅外光波段之間。太赫茲波有一些獨(dú)特的特點(diǎn)，使他們吸引了科學(xué)家的興趣。一方面，他們通過大多數(shù)非導(dǎo)電材料，所以他們通過包裝或外加盒子可以用于安全的應(yīng)用場(chǎng)景，由于它們比X射線能量少，他們不會(huì)損壞人體組織或DNA。
太赫茲波由于與不同的化學(xué)物質(zhì)作用方式不同，也用于分析不同的化學(xué)物質(zhì)，可以被用來表征特定的物質(zhì)。這種被稱為光譜，太赫茲技術(shù)的這種能力，利用光波分析材料是最有前途最具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，Sengupta說。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)家發(fā)射一系列的太赫茲波到目標(biāo)物體上，然后觀察它們與波相互作用后的變化情況。人的眼睛在可見光范圍上具有相似作用，我們看到一片綠色型因?yàn)樵诰G色的光頻率由拉登葉片葉綠素產(chǎn)生的光反射。
面臨的挑戰(zhàn)是如何產(chǎn)生廣泛的太赫茲波，并解釋其與目標(biāo)的相互作用，需要一個(gè)復(fù)雜的設(shè)備陣列，如笨重的太赫茲發(fā)生器或超快激光。該設(shè)備的大小和費(fèi)用使大多數(shù)應(yīng)用技術(shù)不切實(shí)際。
多年來研究人員已經(jīng)開展了很多工作來簡(jiǎn)化這些系統(tǒng)。九月，Sengupta的團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種方法可降低太赫茲發(fā)生器的大小和設(shè)備，使其返回波到一毫米大小的芯片上。解決辦法在于新型的成像天線功能。當(dāng)太赫茲波與芯片內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)雜的電磁場(chǎng)分布，這是入射信號(hào)所特有的。通常情況下，這些微妙的區(qū)域被忽略，但研究人員意識(shí)到，他們可以讀取出圖案作為一種簽名，以確定電磁波。整個(gè)過程可以通過微芯片內(nèi)部的微小器件來完成，它能讀取太赫茲波。
“不是直接閱讀的電磁波，我們是為了解釋的波產(chǎn)生的方式，”Sengupta說。“它有點(diǎn)像我們利用池塘里的漣漪，尋找雨滴的圖案。”
Daniel Mittleman是布朗大學(xué)的工程學(xué)教授，他說這項(xiàng)進(jìn)步是“非常具有創(chuàng)新性的一項(xiàng)工作，它有很多的影響。”Mittleman是紅外毫米波太赫茲波國(guó)際協(xié)會(huì)的副主席，他說在太赫茲波段可以開始應(yīng)用到日常生活中使用的設(shè)備中之前，科學(xué)家們?nèi)杂泻芏喙ぷ饕觯聭B(tài)的發(fā)展是有希望的。
“這是許多非常大問題中的一個(gè)，但它是非常重要的一個(gè)，”Mittleman說，他對(duì)于這項(xiàng)工作非常熟悉，但沒有參與其中。
在太赫茲產(chǎn)生端，最大的挑戰(zhàn)是在太赫茲波段內(nèi)產(chǎn)生寬范圍的波長(zhǎng)，特別是在微芯片中。研究人員意識(shí)到他們可以通過在芯片上產(chǎn)生多個(gè)波長(zhǎng)來解決這個(gè)問題。然后，他們使用精確的時(shí)間來結(jié)合這些波長(zhǎng)，并創(chuàng)建非常尖銳的太赫茲脈沖。
在去年發(fā)表在《IEEE固態(tài)電路》雜志中的一篇論文中，研究人員解釋了他們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)了一個(gè)芯片產(chǎn)生太赫茲波。研究人員說，下一步是將工作范圍擴(kuò)展到太赫茲波段。“現(xiàn)在我們正在開展太赫茲波段的下一部分工作，”普林斯頓電氣工程學(xué)院的博士生、兩篇論文的作者Xue Wu說。
“你能用十億個(gè)工作在太赫茲頻率的晶體管做什么？” Sengupta問。“只要重新設(shè)想這些復(fù)雜的電磁相互作用的基本原則，我們就可以發(fā)明改變游戲規(guī)則的新技術(shù)。”
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