可持續(xù)一百萬分之一秒的電磁脈沖將可能成為醫(yī)學成像、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，長期需要復雜和昂貴的設(shè)備才能使用。
如今，普林斯頓大學的研究人員已經(jīng)大幅簡化了太赫茲設(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綜復雜的細節(jié)。
“這種系統(tǒng)是在一個硅芯片大小上實現(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，從智能手機到平板電腦，因此在一個批量生產(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)的一個助理教授。
電磁波的未來:可實現(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。太赫茲波有一些獨特的特點，使他們吸引了科學家的興趣。一方面，他們通過大多數(shù)非導電材料，所以他們通過包裝或外加盒子可以用于安全的應(yīng)用場景，由于它們比X射線能量少，他們不會損壞人體組織或DNA。
太赫茲波由于與不同的化學物質(zhì)作用方式不同，也用于分析不同的化學物質(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。
為了實現(xiàn)這一目標，科學家發(fā)射一系列的太赫茲波到目標物體上，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為在綠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，并解釋其與目標的相互作用，需要一個復雜的設(shè)備陣列，如笨重的太赫茲發(fā)生器或超快激光。該設(shè)備的大小和費用使大多數(shù)應(yīng)用技術(shù)不切實際。
多年來研究人員已經(jīng)開展了很多工作來簡化這些系統(tǒng)。九月，Sengupta的團隊報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。當太赫茲波與芯片內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)相互作用時，它們會產(chǎn)生一個復雜的電磁場分布，這是入射信號所特有的。通常情況下，這些微妙的區(qū)域被忽略，但研究人員意識到，他們可以讀取出圖案作為一種簽名，以確定電磁波。整個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是布朗大學的工程學教授，他說這項進步是“非常具有創(chuàng)新性的一項工作，它有很多的影響。”Mittleman是紅外毫米波太赫茲波國際協(xié)會的副主席，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，科學家們?nèi)杂泻芏喙ぷ饕?，但事態(tài)的發(fā)展是有希望的。
“這是許多非常大問題中的一個，但它是非常重要的一個，”Mittleman說，他對于這項工作非常熟悉，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，特別是在微芯片中。研究人員意識到他們可以通過在芯片上產(chǎn)生多個波長來解決這個問題。然后，他們使用精確的時間來結(jié)合這些波長，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)绾螌崿F(xiàn)了一個芯片產(chǎn)生太赫茲波。研究人員說，下一步是將工作范圍擴展到太赫茲波段。“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院的博士生、兩篇論文的作者Xue Wu說。
“你能用十億個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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