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2020太赫兹科技发展回顾与展望——代新年贺词
发布时间:2020-12-29 12:49:18 阅读:255

来源:电子科技大学红外毫米波与太赫兹研究院、太赫兹战略发展研究基地、太赫兹研发网、《太赫兹科学与技术》国际在线杂志 杨平

    2020年,注定是极为不平凡的一年。年初,一场突如其来的新冠疫情,至今仍在全球肆虐,扩散蔓延。这场疫情来的是如此的突然而猛烈,已深刻影响整个2020年,甚至达到更远的未来。与此同时,世界格局和外部环境的变化也给国内的科学研究、技术进步和产业发展带来了极大的影响。但即便如此,太赫兹领域科研人员也依然没有停止前进的步伐,在基础研究、应用开发等方面均取得了重大进展;同时,由中国电子学会主办,中国科学院空天信息创新研究院承办,电子科技大学和上海理工大学协办的“第六届全国太赫兹科学技术学术年会”于2020年12月2日--5日在广州召开,由刘盛纲院士和吴一戎院士担任大会主席,年会的召开在当前形势下对提振信心,促进交流,开拓思路,推动国内太赫兹科学技术的发展和产业化发展都具有重要意义,给疫情下寒风萧萧的2020带来了温暖的光亮。因此我们也更加期待2021年8月31日--9月3日第46届红外毫米波太赫兹国际会议(IRMMW-THz2021)在成都的召开。现在,就让我们来一一梳理2020太赫兹领域中所发生的那些焦点事件。

    1、第六届全国太赫兹科学技术学术年会在广州召开

    2020年12月2日-5日,在广州长隆酒店成功举办了第六届全国太赫兹科学技术学术年会。此次会议由中国电子学会主办,中国科学院空天信息创新研究院承办,电子科技大学和上海理工大学协办。包括国内高校、研究机构、专业学会以及科技公司在内超500名专家学者参加此次会议。本届年会共接收报告论文200多份,其中大会报告6份,邀请报告81份,口头报告35份,张贴报告94份,报告内容精彩纷呈,详细阐述了太赫兹科技各细分领域的前沿研究及发展趋势。

    2、突破性研究打破了太赫兹辐射效率纪录

    维也纳理工大学的科学家提出了一种太赫兹辐射的新来源,他们声称打破了效率和光谱范围的记录,在太赫兹波段产生了一系列波长。

    通过使红外激光发射通过由硒化镓和碲化锌组成的晶体,即所谓的“非线性介质”,辐射频率增加一倍。然后,将这种较高频率的波添加到常规的红外激光中,从而产生具有非常特殊的不对称电场的新波,它的强度足以将电子从空气分子中剥离出来产生发光的等离子体。磁场激发空气中的电子,在短而尖的脉冲中产生太赫兹的宽带辐射。

    3、电子科技大学电子科学与工程学院齐静波教授课题组在太赫兹相关领域取得重要进展

    电子科技大学电子科学与工程学院、电子薄膜与集成器件国家重点实验室齐静波教授课题组与合作者一起,在国际著名期刊《Nature Communications》和《Physical Review Letters》上相继发表相关研究成果,在拓扑外尔半金属TaAs中发现了可调控的宽带手性太赫兹波发射,并揭示了该发现与外尔物理间的深层次关系。

    该工作为利用量子材料制造手性光源提供了一个全新设计概念,并为利用外尔物理研发超快光电子器件开辟了新的道路。

    4、太赫兹激光器数据传输率达100G比特,比以太网快约一千倍

    利兹大学和诺丁汉大学的研究人员在太赫兹量子级联激光器(terahertz quantum cascade lasers)的控制方面取得了突破性的进展,可以以每秒100G比特的速率传输数据,这比通常以每秒100兆比特速度运行的快速以太网快约一千倍。

    5、石墨烯放大器解锁电磁波谱中的隐藏频率

    英国拉夫堡大学的物理学家利用石墨烯和高温超导体创造出一种新型的光学晶体管——实用THz放大器。THz放大器由两层石墨烯和一层超导体组成。

    这项突破已发表在最新一期的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。该团队正在继续开发该设备,并希望能尽快制造出原型机以便进行测试。这样的设备将极大地改善目前的技术,并允许科学家揭示更多关于人类大脑的信息。

    6、上海技术物理研究所在热电子太赫兹探测和成像方面获得新进展

    上海技术物理研究所的陈效双、陆卫团队的王林研究员、苏州纳米所张凯研究员等合作团队围绕亚趋肤深度范围的太赫兹场与黑磷表面载流子作用的非平衡新型探测获得新进展。研究团队通过改良传统器件制备工艺,利用低成本倾角蒸镀技术实现了超越弹道极限的超短沟道器件,并大幅提升了二维材料器件在太赫兹频段的室温应用能力。该工作实现太赫兹电磁场在亚30纳米尺度范围持续增强聚焦,并采用非对称接触势促进了太赫兹激励下黑磷表面热电子的高效产生与光电转换调控,从而获得了高灵敏的室温太赫兹探测和成像。

    7、全球首款非线性太赫兹相机问世

    英国萨塞克斯大学的物理学家团队成功开发出新型太赫兹相机,它能以前所未有的精度探测太赫兹电磁波。这是首款非线性相机,它能够采用太赫兹(THz)辐射采集固体内部的高分辨率图像。

    太赫兹相机的核心挑战并不是采集图像,而是保留那些很容易被技术破坏的物体频谱指纹。图像的所有细节的指纹都以一种全面详细了解物体特性的方式被保留下来。这是该研究团队取得成就的重要性所在。

    8、科学家提出基于超晶格微腔的太赫兹量子开关

    中国科学院上海光学精密机械研究所激光与红外材料实验室微结构光物理研究团队与华东师范大学、湖南大学等机构合作,在超晶格微腔量子应用领域研究中获重要进展,提出基于钙钛矿量子点自组装超晶格微腔的太赫兹量子开关,首次将钙钛矿材料拓展到量子超快应用领域,通过实验和理论验证了超晶格微腔中的腔增强超辐射现象,并基于此现象成功实现0.1THz的量子开关。相关成果近日发表于《自然—通讯》。

    9、南京大学现代工学院胡伟、陆延青团队开发平面太赫兹光子元件

    南京大学现代工学院胡伟、陆延青团队利用光控取向的液晶聚合物柔性薄膜开发出多功能平面太赫兹光子元件,提供了一种太赫兹波前调控的全新解决方案,也为设计制备各类集成、低损、可调的太赫兹元件提供了一种可行方案。该成果在线发表在《先进光学材料》上(Adv. Opt. Mater. 2020, 1902124)。

    10、四川大学邓华教授课题组、施奇武副教授课题组等合作:导电高分子薄膜实现应力驱动的超高效柔性太赫兹波调控

    四川大学邓华教授课题组与施奇武副教授课题组基于各自分别在导电高分子材料及功能设计、太赫兹波动态调控材料领域的研究基础,合作提出了一种基于导电高分子薄膜的柔性、高效太赫兹波动态调控。是迄今为止关于太赫兹波调制性能研究报道中最好的效果之一。该研究首次将太赫兹调控材料体系拓展到高分子领域,并提出了基于太赫兹技术的柔性应力传感器概念。

    11、德国科学家开发出新型太赫兹波发射机

    德国亥姆霍兹德累斯顿罗森道夫研究中心(HZDR)、德累斯顿工业大学、康斯坦茨大学的研究人员组成的团队开发出一款可生成太赫兹短脉冲的锗元件。这种脉冲的优势在于具有极宽的频带,从而可同时提供许多不同的太赫兹频率。因为可采用半导体产业中已使用的方法来生产这种元件,所以这项研究成果有望广泛应用于科研与技术。

    12、美国理海大学发现多瓦太赫兹激光器新突破

    美国理海大学电子与计算机工程系的副教授Sushil Kumar和他的研究团队为等离子体激光器开发了一种新的锁相技术,并通过它的使用,实现了太赫兹激光器创记录的高功率输出。他们的激光器在单波长半导体量子级联激光器中产生了最高的辐射效率。论文发表在Optica上

    13、太赫兹全光器件开关过程的光学主动调控

    国防科技大学江天研究员课题组在太赫兹主动调控器件研究方面取得进展,利用构建电磁感应透明超表面和复合光敏层的方法,成功制备了响应时间从皮秒到纳秒主动可调的太赫兹全光开关,实现了光控太赫兹超快器件的实时动态调控。该工作不仅为操控快光控超快太赫兹调制器瞬态过程提供了全新的解决方案,还为全光器件调控提供了崭新的思路,对促进光子集成器件的发展具有重要意义。

    该团队近期还实现了超快太赫兹调制的速率主动调控(Nanophotonics 20200017, 2192-8614)、共振频率调谐(Advanced Optical Materials, 7, 1901050, 2019)、复杂共振模式调谐(Laser & Photonics Reviews, 1900338, 2020)和超快太赫兹振幅调制(Nano Energy, 68, 104280, 2020),为发展主动调控的太赫兹元器件开辟了新路径。

    14、自旋太赫兹源近场超分辨鬼成像显微术

    中国工程物理研究院的朱礼国研究员、谭为副研究员联合团队与国内外多个研究小组合作在国际顶尖期刊Nature子刊 Light: Science & Applications 发表论文,他们利用一种新颖的高效薄膜太赫兹源——自旋太赫兹源(Spintronicterahertz emitter, 简称STE),结合计算鬼成像技术,设计并验证了一种超衍射分辨的太赫兹显微仪(GHOSTEAM),可以对近场目标实现微米量级的太赫兹波空间分辨。GHOSTEAM在解决传统太赫兹成像空间分辨率不足的同时,可以方便地获得偏振融合的太赫兹图像,消除偏振在超分辨成像时的影响;此外,还可以结合飞行时间技术(TOF),实现对三维目标的层析太赫兹成像。利用STE的相关特性,在未来,该技术有望在实时超分辨成像和超宽带太赫兹成像等方面发挥重要作用。

    15、上海师范大学太赫兹超材料课题组在太赫兹慢光效应方面取得新进展

    上海师范大学太赫兹超材料课题组创建人赵振宇博士突破传统的开口谐振环为主的超材料设计思路,独辟蹊径地利用齿轮谐振器的太赫兹类局域表面等离子体振荡与偶极子振荡相互干涉,先后实现了40皮秒的太赫兹慢光最大化,并且突破了偏振不依赖慢光太赫兹超材料必须C4群空间对称的设计,实现C2群对称性的超材料依然具有偏振不依赖慢光效应。

    16、青岛大学物理科学学院张昆博士在太赫兹波段可调控光学模式强耦合方面取得新进展

    青岛大学物理科学学院张昆博士在太赫兹波段可调控光学模式强耦合方面取得新进展,相关成果发表在光学领域著名期刊Optics Letters上(DOI: 10.1364/OL.397342)。

    在这个工作中,通过设计一种太赫兹波段的石墨烯掺杂分布布拉格反射(DBR)光学腔,实现了TPP与腔模式(CM)在纵向空间的强耦合,得到了两个杂化极化子模式。通过外加电压调节石墨烯费米能,可以实现对这两个模式的主动调控。另一方面,该系统对入射光的角度很敏感,增加了对TPP-CM强耦合进行调控的自由度。这种通过多种方法可调谐的TPP-CM纵向强耦合系统在太赫兹波有源光电和极化子器件(如双波段吸收器、定向选择滤波器和传感器)方面具有潜在的应用前景。

    17、科学家制造出超高速太赫兹无线芯片,传输速度比5G更快

    来自新加坡南洋理工大学和日本大阪大学的科学家们经过两年的设计、制作和测试,利用光子拓扑绝缘体的概念制造了一种新型芯片。他们的芯片可以传输太赫兹波(THz),从而产生11gb/s的数据传输速率,能够支持4K高清视频的实时流媒体传输,并且超过了5G无线通信的10gbit/s的理论极限。该项研究发表在《自然光子学》上。

    18、太赫兹光子学组件研究获重大突破

    一个来自德国、意大利和英国的研究团队成功开发出一种关键的光子组件,实现了半导体量子阱的子带间跃迁与金属腔的光子模式超强耦合,有望用可饱和吸收体(SA)来制造廉价的、可引发短太赫兹脉冲的量子级联激光器(QCL)。这将成为太赫兹应用道路上的一个重要里程碑。相关成果发表在最近的《自然•通讯》上。

    19、合肥研究院等在太赫兹自由电子激光装置应用研究中获进展

    中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所计算物理与量子材料研究部徐文课题组与中国工程物理研究院合作,应用太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)装置,开展电子材料的太赫兹动力学特性研究,相关研究成果发表在Chinese Physics B上。

    研究表明,基于自由电子激光的“单色皮秒太赫兹泵浦-探测”技术,可为电子和光电子材料的动力学特性研究提供新的测量方法,拓宽脉冲型太赫兹自由电子激光的应用研究领域。

    20、低成本太赫兹收发器传输速度达115吉比特/秒

    德国卡尔斯鲁厄技术学院(KIT)和美国弗吉尼亚二极管(VDI)公司合作研制出一种新型低成本太赫兹接收器,由一个二极管和一个专用的信号处理器组成,能在110米范围内以115吉比特(Gb)/秒的速率、0.3太赫兹(THz)的载波频率传输数据。这是无线太赫兹传输在超过100米所展示的最高数据速率。此外,这种太赫兹接收器技术简单且性价比高,适合大规模生产。相关论文发表于最新一期的《自然•光子学》杂志。

    21、上海技物所在拓扑量子体系长波室温新机理THz探测研究取得进展

    中国科学院上海技术物理研究所研究员王林、陈效双和陆卫团队、意大利拉奎拉大学Antonio Politano教授团队和南京大学万贤纲教授团队合作,提出了C3V反演结构特征的第二类狄拉克半金属材料(Type-II Dirac Semimetal)太赫兹探测结构,揭示了由本征对称性破缺导致的室温太赫兹频率电磁转换现象,并实现了基于该材料的偏振、高性能成像演示功能,相关结果发表于Science Advances, 6, eabb6500 (2020)。

    22、为可调制的石墨烯等离子体太赫兹放大器铺平道路

    日本东北大学(Tohoku University)教授Taiichi Otsuji领导的一个国际研究团队,成功地实现了在室温下由一组干电池供能的石墨烯中太赫兹辐射的相干放大。

    研究团队设计了一系列的单层石墨烯沟道的晶体管结构。这些晶体管采用了一个原始的双聚集门结构,这个结构类似于一个高效率天线用于耦合太赫兹辐射和石墨烯等离子体。

    通过使用这些设备,研究人员可以证实随着电流的增大,可调的共振等离子体吸收会引起太赫兹辐射的放大。在单层石墨烯中被观测到的放大增益可以达到9%,远远超过了我们所熟知的界标水平-2.3%,它是光子与电子直接相互作用而没有石墨烯等离子体的激发时的最大可用值。

    23、音乐启发太赫兹

    一个由德国、意大利和英国科学家组成的国际研究小组已成功研发出一种太赫兹光谱范围的关键光子学组件。通过将半导体纳米结构中的电子共振与微谐振器的光子场混合,他们设计出了一种染色镜,这种染色镜较以往更容易褪色,也可使太赫兹激光器速度超快。他们的研究结果发表在最新一期的《自然通讯》(Nature Communications)上。

    24、太赫兹光波速动改变干细胞中基因活性

    来自日本京都大学集成细胞材料科学研究所(iCeMS)和东海大学的研究人员在《光学快报》(Optics Letters)期刊上报道,太赫兹光脉冲改变了干细胞的基因表达。这一发现起因于一种新工具的研发,它对干细胞研究和再生疗法的发展具有重要意义。

    该小组使用了专门仪器来探索太赫兹辐射对诱导多能干细胞(iPSCs)的影响。科学家认为太赫兹脉冲产生的电场会导致锌离子在细胞内移动,从而影响转录因子的功能,进而激活或抑制负责基因的转录因子。

    这一发现可能有助于开发一种操纵iPSC分化成特定细胞的技术,通过关闭特定的某些基因,而同时又保留其他基因功能,从而为广泛疾病的再生疗法铺平道路。

    25、不染色?不费力:太赫兹波为没染色的早期乳腺癌组织成像

    大阪大学的一个研究团队与波尔多大学和法国Bergonié研究所合作,成功地对未着色、厚度低于0.5mm的早期乳腺癌组织进行了太赫兹成像。这种早期乳腺癌组织通过病理学诊断是很难识别的。他们的工作为各类癌症的高速精准的现场诊断提供了一个突破口,同时也加快了新型太赫兹诊断设备的发展。

    26、“高温”太赫兹激光器问世:不仅能用于安检,还能监测癌症

    麻省理工学院和滑铁卢大学的研究人员开发了一种高功率、便携式的量子级联激光器,可以在实验室外产生太赫兹辐射。该研究成果已发表在《自然光子学》(Nature Photonics)杂志上。

    主导这项研究的麻省理工学院电气工程和计算机科学教授胡青(音译)和其团队表示,他们的太赫兹量子级联激光器可以在高达-23.15℃的环境下工作,这意味着只需一个小型便携式冷却器即可产生太赫兹辐射。

    这项研究成果可以与太赫兹探测器协同工作,可能会推动太赫兹成像仪等技术的出现,这些技术能够在不进行活检的情况下区分皮肤癌和正常组织,或者探测货物中隐藏的爆炸物、非法药物和其他危险物品。

    27、石墨烯探测器揭示太赫兹光的偏振

    来自莫斯科物理技术学院,莫斯科国立教育大学,俄罗斯科学院艾菲研究所和德国雷根斯堡大学的物理学家合作创建了一种基于石墨烯的太赫兹辐射宽带探测器。该探测器由一个4×4毫米宽的硅片和一小块2×5千分之一毫米大小的石墨烯组成。石墨烯连接到两个由金制成的平面接触垫上,其领结形状使探测器对入射辐射的极化和相位敏感。该设备具有在通信和下一代信息传输系统、安全和医疗设备等方面的应用潜力。这项研究发表在ACS Nano Letters上。

    28、《Small》封面刊发北航和电子科大在太赫兹电磁波超材料领域的最新研究成果

    近日,Small(IF: 11.459, Q1)杂志在线全文发表了北京航空航天大学航空科学与工程学院飞行器结构强度系李宇航副教授、邢誉峰教授团队与电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室潘泰松副教授合作在太赫兹电磁波超材料领域的最新研究成果。相关研究以“Mechanical  Terahertz Modulation by Skin-Like Ultrathin Stretchable Metasurface”为题发表在Small上,并被选为封面文章。

    此项研究所提出的超薄柔性太赫兹超表面,为机械调制太赫兹波提供了新的思路,展示了蛇形网格结构在更广阔的领域有着巨大的潜力,提供了一个容易实现的轻量化、共性接触的太赫兹波频率选择动态调制方法。

    29、上海交大激光等离子体教育部重点实验室:相对论强激光辐照薄膜靶实现太瓦级可调谐太赫兹脉冲输出

    激光等离子体教育部重点实验室张杰院士、盛政明教授与中科院物理研究所廖国前特聘研究员、李玉同研究员等人合作,对相对论强激光与薄膜靶相互作用产生太赫兹辐射的机制和实现手段进行了更深入的研究。他们建立了三个相关的物理模型和相应的解析理论,即激光加速的高能电子穿越薄膜靶-真空界面时激发相干渡越辐射(TR)、超热电子与靶面离子之间形成的时变鞘层场产生的鞘层辐射(SR)、低能量电子在鞘层场作用下减速-加速运动产生的类韧致辐射(BR)。三个模型产生的辐射具有不同的频谱,这不仅加深了对太赫兹产生机制的理解,而且为调控太赫兹频谱提供了新思路。通过与英国卢瑟福实验室David Neely教授等人合作开展了联合实验,验证了上述理论模型。在优化的激光和靶条件下,太赫兹峰值功率可达1太瓦(10^12W)以上,比当前其它太赫兹脉冲源的最大功率高出百余倍,而且实现了对输出频谱的调谐。这种超强太赫兹辐射源有望将太赫兹波与物质相互作用推进到极端非线性范畴,为太赫兹科学技术发展提供了新的手段。

    30、合肥研究院等发明出太赫兹宽带可调吸收器

    中科院合肥研究院强磁场中心盛志高研究团队与固体所和上海科技大学科研人员合作,发明了一种基于强关联氧化物材料的太赫兹宽带可调吸收器。

    太赫兹吸收器在太赫兹电磁屏蔽,太赫兹成像和太赫兹热敏探测等领域具有广泛的应用前景。研究团队选用强关联电子氧化物作为功能层,采用多层介电结构设计与光控方法,最终实现了这一关联电子器件在宽波段范围的太赫兹光谱性能可调。

    在近期出台的“十四五”规划和2035年远景目标建议中,首次提出了坚持创新在现代化建设全局中的核心地位,把科技自立自强作为国家发展的战略支撑,摆在各项规划任务的首位。太赫兹科技的发展,首先离不开顶层的战略考虑,国家层面资源的注入,此外,行业的努力,大学/研究院所的科研能力和企业的制造能力相融合,主动成长为国家战略的担当者,为国家的阶段性规划提供自身的探索和答案也尤为重要。随着太赫兹应用开发研究不断深入到诸如宇宙探秘、航天材料、国防安全等方面,未来太赫兹科技在国家战略领域的作用将日趋重要。因此,基于国家科技振兴战略,以国家重大需求为导向,走自主创新、自主可控的发展道路,加大对基础研究的投入,加强原创性的应用基础研究,大力发展自主核心技术,着眼于高功率、高稳定度、高集成度和低成本器件的研制,突破应用瓶颈,以求真、务实、理性的精神,脚踏实地地推动太赫兹科技的稳健发展,将是当前乃至未来相当长一段时间我国太赫兹科技发展之路的重中之重。“道虽迩,不行不至;事虽小,不为不成。”新兴的太赫兹科技之花,需要我们沉下心来,俯下身去,静候它的绚烂绽放。

    2020,我们在灾害面前不低头,在困难面前不退缩,历经磨难而不倒,饱经风霜而弥坚。这其中每一个行业,每一个企业,每一个个体的付出、努力与坚持,都值得我们为之点赞。致敬在2020这个难以忘怀的一年,每一个逆行者、奋斗者,以及默默坚守的人们!

    时序如轮,春天即将一步步的的走近我们,给大地带来生机,给人们带来喜悦与美好的憧憬。在即将来临的充满希望和挑战的2021,希望我们每一个人都能拥有更多的勇气与乐观,坚持与毅力。辞旧迎新之际,太赫兹研发网祝大家:新年快乐,阖家安康!

 
 

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