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2021太赫兹科技发展回顾与展望——代新年贺词
发布时间:2021-12-30 21:42:00 阅读:762

来源:电子科技大学太赫兹科学技术研究中心、太赫兹科学技术战略研究基地、太赫兹研发网、《太赫兹科学与技术》国际在线杂志 杨平

    时序更替,忽而岁末。新年的曙光即将开启2022年的时间之门。回首2021,我们并肩走过,我们携手共进,我们共同见证;回首2021,是浓墨重彩、硕果盈枝的一年,是凝聚力量、勇于担当的一年,是锐意进取、不断前行的一年。此时此刻,回眸与展望交融,不舍与憧憬交织,就让我们再一次盘点2021太赫兹领域那些令人振奋的突破与创新。

    1、荧光碳量子点的太赫兹光电特性研究取得新进展
    中科院合肥研究院固体物理研究所徐文课题组与西南大学合作,利用太赫兹时域光谱(THz TDS)技术,研究了荧光碳量子点(CQDs)的光电特性,发现在80-280K温度范围内,红光荧光量子点(R-CQDs)在0.2-1.2 THz频段为光绝缘体(即对THz光全透),而蓝光荧光量子点(B-CQDs)随THz频率、温度的增加出现绝缘体-半导体转变。相关研究成果以“Optically induced insulator-to-semiconductor transition in fluorescent carbon quantum dots measured by terahertz time-domain spectroscopy”为题发表在Carbon上。
    该工作首次将THz TDS技术应用于荧光碳量子点的研究,为碳量子点粉末关键物理参数的实验测量提供了新方法,有助于深入了解碳量子点的基本物理特性。同时,研究中观测到荧光碳量子点在THz频段的绝缘-半导体转变这一有趣物理现象,表明碳量子点可应用于THz光透射的调控,制备新型THz器件。

    2、南方科技大学李贵新课题组在非线性超构表面太赫兹辐射源领域取得进展
    南方科技大学材料科学与工程系副教授李贵新课题组和以色列特拉维夫大学教授Tal Ellenbogen课题组等在基于几何相位(Pancharatnam-Berry Phase)的非线性超构表面太赫兹辐射源领域取得新进展,相关成果以“Functional THz Emitters based on Pancharatnam-Berry Phase Nonlinear Metasurfaces”为题发表于Nature Communications。
    该论文首次报道了一种新型的基于几何相位(Pancharatnam-Berry Phase)的非线性超构表面太赫兹辐射源。这种非线性超构表面由具有三重(C3)旋转对称性的金等离激元超构单元构成。在飞秒激光泵浦下,通过旋转C3超构单元的方位角,可以在深亚波长尺度上控制超构表面上辐射出太赫兹波的偏振和相位。相关研究有望为太赫兹光源上的光场调控提供重要方法。

    3、日俄团队开发微型天线成功实现太赫兹无线通信速度达到17.5GB/秒
    日本岐阜大学和软银、日本情报通信研究机构(NICT)及俄罗斯托木斯克理工大学等组成的世界级团队近日宣布,研究团队利用比手机镜头孔还小的微型天线,成功进行了300Ghz频带太赫兹无线通信。
    此次该团队将所开发的天线与喇叭天线(外形尺寸为9.0×9.0×47.5mm,增益为23dbi)组合进行了实验,在600mm区间内成功实现了17.5GB/秒的无线传输。上述传输速度受到测试仪器性能的限制,从观测到的传输信号波形来看,没有发生狭窄化等的衰减现象。研究人员还测量了信号传输距离与误码率的关系,结果发现在传输距离小于600mm的情况下,误码率低于FEC limit (3.8×10-3)。

    4、基于Ⅱ型狄拉克精准调控的高性能太赫兹光电器件取得进展
    中国科学院上海技术物理研究所研究人员与南京大学、复旦大学、东华大学、中国科学技术大学及上海科技大学的相关团队通力合作,提出了原子尺度上精细调控Ⅱ型狄拉克半金属的新方法,该研究成果以“Colossal Terahertz Photoresponse at Room Temperature: A Signature of Type-II Dirac Fermiology”(DOI:10.1021/acsnano.0c10304)为题发表在《美国化学学会-纳米》(ACS Nano)杂志。
    在这项工作中,研究团队通过室温下的光电表征与电子结构表征,发现第二类狄拉克费米子太赫兹异常增强现象。通过Pt原子的引入来构筑狄拉克锥的对称性,可以推导出狄拉克点几乎完全位于费米能级的情况下,具有极大的室温光导增强,有望实现器件性能的大幅提升。实验结果与应用于拓扑材料的最可靠的方法角分辨光电子能谱(ARPES)高度一致,并且狄拉克半金属范德华异质结具有较好的抑制热搅动噪声和快速响应、低功耗的性能,表明在原子层面构筑新材料、新器件的新途径。本工作为探索拓扑半金属开辟了一条新途径,并为低能量长波探测技术在成像、生物医学传感和下一代通信领域的定向应用开辟了可行性。

    5、东京工业大学研发柔性太赫兹摄像机,可实现不规则物体的盲区成像
    日本东京工业大学副教授 Yukio Kawano 领导的团队设计出一种灵活独立的 THz 传感器阵列,可让太赫兹摄像机对形状不规则的物体盲区进行成像。该研究成果发表在《高级功能材料》(Advanced Functional Materials)上。
    研究人员通过检测和显示树脂中聚合物的裂缝、杂质和不均匀涂层,以及弯曲管道中的污泥来演示这种贴片在实际工业化应用中的表现,最终证实了这种新型的太赫兹摄像机在质量检测与控制操作中的巨大潜力。

    6、超越5G跨入6G!大阪大学开发太赫兹IC,300G带宽、可实时传输无损8K视频
    日本大阪大学的研究人员与 ROHM 半导体公司密切合作,开发出了业界首款在太赫兹频谱下运行的设备,可以在300 GHz带宽内不中断地传输未经压缩的大型8K视频。
    在谈到团队研究的重要性时,团队领导人Masayuki Fujita博士说:“这种用于UHD视频的未经压缩的无线传输技术将提高与社会问题直接相关的远程医疗和远程办公的质量,并将促进物理网络的发展。利用UHD视频的大数据进行融合。”

    7、石墨烯中的量子隧穿技术推进了太赫兹无线通信时代
    MIPT(莫斯科物理技术学院)、莫斯科国立师范大学和曼彻斯特大学的科学家们基于石墨烯中的量子隧穿效应,研制了一种高灵敏度的太赫兹探测器。该装置的灵敏度优于基于半导体和超导体的商用探测器,这为石墨烯探测器在无线通信、安全系统、射电天文学和医疗诊断等领域开辟了应用前景。研究结果发表在了《自然通讯》杂志上。

    8、上海技物所科研人员利用“香蕉球”效应实现太赫兹高频信号传递
    上海技物所王林、陈效双、陆卫研究团队和东华大学、意大利拉奎拉大学相关团队共同合作,通过精确操控第二类狄拉克费米子态诱导布洛赫自旋电子单向散射,实现高频信号传递,实现宽波段工作、较高的动态范围和高分辨太赫兹成像通讯功能,为探索新型太赫兹光电物理和高灵敏度应用提供新了思路。相关成果以“High-frequency rectifiers based on type-II Dirac fermions”(DOI: 10.1038/s41467-021-21906-w)为题发表于《自然-通讯》(Nature Communications)杂志。

    9、清华大学工程物理系在太赫兹加速领域取得重大进展
    清华大学工程物理系黄文会,颜立新团队完成了世界上首次相对论电子束的级联太赫兹加速方案的原理性验证实验,实现了太赫兹波对相对论电子束的两级级联加速,将太赫兹加速领域的加速梯度和能量增益提高了一个量级。该成果填补了长期以来在太赫兹加速在高能段的技术空白,验证了一条切实可行的高能量太赫兹加速器的技术路线,并为太赫兹加速技术超快科学、强场物理、先进光源与新加速器等领域的应用带来全新的机遇。
    相关成果发表在在《自然•光子学》(Nature Photonics)上,论文题为“相对论电子束的高梯度级联太赫兹加速”(Cascaded high-gradient terahertz-driven acceleration of relativistic electron beams)。《自然•光子学》的评审人对该研究成果高度评价,认为这是“太赫兹加速领域内里程碑式的突破”。这一研究成果是太赫兹加速领域中的重大技术突破,验证了太赫兹加速技术走向高能的技术可行性,有望将大型加速器缩小到普通实验室规模甚至桌面规模。目前,清华大学工程物理系正在积极开展和推动全光太赫兹加速实验平台的理论研究和物理设计工作,致力于建设世界一流的太赫兹加速实验及应用研究平台。

    10、上海理工大学太赫兹技术创新研究院在太赫兹高分辨成像取得系列研究进展
    超构表面由亚波长的准二维微结构按照特定的排列方式构成,可以很灵活的调控电磁波的波前能够获得高质量的亚波长甚至突破衍射极限的聚焦光斑,并有效的将传统三维“体”功能器件的功能用平面“flat”器件实现,有效的提高了功能器件的可集成度,为今后的系统的小型化和集成化提供了一个全新的解决方案。近年来,上海理工大学太赫兹技术创新研究院的臧小飞、朱亦鸣教授等人在庄松林院士的指导下发展了基于超构表面的系列平面透镜(如偏振可控的超构表面透镜,长焦深超构表面透镜,单向超构表面透镜等)并应用于太赫兹高分辨成像。相关研究在科技部重点研发计划(2017YFF0106300,2017YFA0701005,2018YFF01013003),国家自然基金重点项目(3218302024)和科技部人才计划以及优秀青年科学基金项目(3119302003, 3218302015, 3220302008)等支持下共发表SCI一区论文7篇。

    11、科学家研制出超薄太赫兹光源
    英国苏塞克斯大学(University of Sussex)的物理学家开发出一种极薄、大面积的太赫兹半导体表面源,仅由几个原子层组成,并与现有的电子平台兼容。
    研究太赫兹技术的科学家们面临的最大挑战之一是,通常被认为是“强烈太赫兹源”的东西既微弱又笨重。在许多情况下,由于需要非常特殊的材料,例如非线性晶体,使得它们既不实用又昂贵。这一要求对集成其他技术(如传感器和超快通信)提出了挑战。苏塞克斯团队克服了这些限制,从极薄的材料(大约25个原子层)开发太赫兹源。通过用两种不同的激光(每一种激光以不同的频率或颜色振荡)照亮电子级半导体,能够诱发太赫兹辐射的短脉冲。

    12、新型光电子材料可控制太赫兹光波
    俄罗斯莫斯科大学科研人员开发出一种独特的、可以轻松控制太赫兹光波的二氧化钒光电子材料。有关专家认为,未来从运输安全到食品质量控制等领域,新材料将得到广泛运用。相关研究发表在《晶体工程通讯》和《陶瓷国际》杂志上。
    为了进一步提高二氧化钒的性能,俄罗斯科研人员采用了一种新的合成方法,为新材料赋予了一种特殊的微观结构:形状类似于圣诞树。研究人员发现,这种“多刺的”钒氧化物在1.5太赫兹光波下可吸收90%的入射辐射,而在其他频率下仅吸收20%的入射辐射。因此,二氧化钒可以成为理想的太赫兹光波的选择性吸收器。

    13、中国电科在国内首批实现太赫兹RTO辐射源1THz频率突破
    中国电科网络通信研究院北京研发中心太赫兹通信团队经过刻苦攻关,突破了RTO器件自主研制、RTO与其它器件集成和RTO功率提升等关键技术,解决了THz辐射源系统和探测系统小型化的共性问题,在国内首批实现了RTO辐射源1THz频率突破。
    据了解,该成果可应用于太赫兹源、振荡器、上下变频器、调制器、高灵敏外差式THz探测系统等领域,为未来太赫兹高速通信和探测设备的小型化提供了良好的技术支撑,未来将会对我国军用及民用领域产生巨大的经济效益和社会效益。

    14、太赫兹发射光谱揭示氮化铟镓/氮化镓多量子阱的光学响应
    来自日本大阪大学激光工程研究所的科研团队通过与德国比勒菲尔德大学和布伦瑞克技术大学的合作,进一步揭示了宽带隙半导体多量子阱复杂的光学响应以及原子尺度下的晶格振动如何产生自由空间中的太赫兹辐射。他们的工作有力地推动了激光太赫兹发射显微镜在宽带隙量子器件的纳米地震学中的应用。

    15、上海微系统所在太赫兹双光梳锁相方面取得进展
    中科院上海微系统所曹俊诚、黎华领衔的太赫兹(THz)光子学团队基于电泵浦THz量子级联激光器(QCL)双光梳,突破激光自探测,利用锁相环技术,国际上率先实现THz QCL双光梳锁相。研究结果以“Active Stabilization of Terahertz Semiconductor Dual‐Comb Laser Sources Employing a Phase Locking Technique”为题发表在Laser & Photonics Reviews期刊,并被遴选为封面论文。
    本工作为THz双光梳稳频提供了一项简单有效的方案,为THz光谱高分辨、成像和宽带THz通信等奠定重要基础。

    16、南开大学团队在太赫兹声子极化激元领域取得重要研究进展
    多年来,声子极化激元在凝聚态物理、光学和材料科学中一直受到广泛关注。南开大学吴强、许京军教授团队经过十余年的努力,构建了太赫兹声子极化激元的理论、实验和应用研究的基本体系。取得了一些重要的研究成果。既有以非线性黄昆方程为代表的基础理论研究,也有铌酸锂材料的制备与调控、时空超分辨定量成像探测等实验工作,并在此基础上发展了片上集成高灵敏太赫兹传感器、片上集成太赫兹时域光谱仪等应用方向。
    借助于太赫兹声子极化激元,该研究团队在铌酸锂晶片上构建了太赫兹波的片上集成系统,使太赫兹波的产生、传输、调控、探测等过程以及太赫兹波与物质或微结构的相互作用过程,在同一个铌酸锂芯片上完成,并实现了一定的功能性,促进了太赫兹集成技术的应用。

    17、广东质标所研发太赫兹生物传感器实现大肠杆菌DNA序列免标检测
    广东省农业科学院农业质量标准与监测技术研究所与浙江大学合作研发了一种基于超表面-石墨烯异质结构的太赫兹微流控器件,实现了对大肠杆菌DNA的快速、准确、免标检测。相关成果在国际顶尖学术期刊Biosensors & Bioelectronics(中科院一区,IF=10.257)上在线发表。
    该研究针对大肠杆菌快速灵敏检测的实际需求和现阶段太赫兹传感技术实现极性溶液中生化分子灵敏检测过程中的共性关键问题,首次提出将金属孔阵列结构与单层石墨烯结合并集成至太赫兹微流控器件中,基于对所构建器件的传感机理的全面探究,建立了生物-电-光信号增益转化的传感方法,实现了对大肠杆菌(O157:H7)DNA序列的快速、准确、免标检测。该研究成果为进行食源性致病菌的快速筛查提供了新的方法,也为推动解决太赫兹传感应用过程中灵敏度低、极性基质干扰严重的共性问题提供了新的思路,具有较好的学术和应用价值。

    18、一种提高太赫兹辐射探测器灵敏度的简易方法
    俄罗斯托木斯克理工大学和西班牙大学的科学家们共同提出了一种使用一个小型的特氟龙立方体来提高太赫兹探测器灵敏度的简易方法,他们利用此方法将探测器的灵敏度提高了3.5倍。此方法只需要将一个边长1mm的立方体放在探测器表面,无需改变探测器的内部结构。
    这种探测器被应用于全身扫描仪、光谱仪和医疗设备上,用于诊断皮肤癌、骨折和血液中的病理变化。这项研究成果发表于《光学快报》上。

    19、太赫兹加速器实现厘米尺度的高品质电子级联加速
    上海交通大学物理与天文学院张杰院士和向导教授领导的课题组利用飞秒激光在周期极化铌酸锂晶体中产生的多周期窄带太赫兹源,结合兆伏特超快电子衍射装置提供的超短电子束,证明了相对论电子在厘米长度距离的尺度上实现高品质级联加速的可行性;实验中保持了电子束的能散和能量稳定性,获得接近100%的级联耦合效率,实现了从“太赫兹加速(THz acceleration)”迈向“太赫兹加速器(THz accelerator)”的突破。该工作以“Stable and Scalable Multistage Terahertz-Driven Particle Accelerator”为题发表在2021年8月的《物理评论快报》【H. Tang, L. Zhao et al., Phys. Rev. Lett. 127, 074801 (2021)】。

    20、航天科技集团五院西安分院率先突破太赫兹高精度自适应捕获跟踪技术
    航天科技集团五院西安分院针对太赫兹通信对高精度自适应捕获跟踪技术的迫切需求,重点攻关突破了窄波束条件下高精度自适应捕获跟踪这一世界性技术难题,并成功研制出了220GHz频段太赫兹高精度自适应捕跟系统。
    在多次地面动态试验过程中,西安分院研制的太赫兹高精度自适应跟瞄系统运行稳定、性能优越,为国际首次机载飞行平台220GHz频段千米级无线通信系统验证提供了核心技术保障。
通过试验推动了太赫兹通信从地面静态节点到空中动态节点里程碑式的跨越,为太赫兹技术发展奠定了坚实基础,并将极大推动空间太赫兹通信及移动通信商业化的快速发展。

    21、清华大学微波所在硅基太赫兹功放芯片设计上取得进展
    清华大学陈文华教授及其团队在宽带、高效硅基太赫兹功放芯片设计领域取得了新进展。相关研究成果现分别以“A 250-310 GHz Power Amplifier with 15-dB Peak Gain in 130-nm SiGeBiCMOS Process for Terahertz Wireless System”(论文1)为题被太赫兹领域期刊《 IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology 》接收发表,以“A High-Efficiency 142-182 GHz SiGeBiCMOS Power Amplifier with Broadband Slotline-Based Power Combining Technique”(论文2)为题被集成电路设计领域权威期刊《 IEEE Journal of Solid-State Circuits 》接收发表。
    论文1的工作成功突破了硅基功放频率限制,覆盖了250-300GHz。论文2的紧凑的功率合成技术实现662-mW/mm2的单位芯片面积输出功率值,和目前最高水平相比,上述芯片面积、效率等性能指标均达到世界领先水平。

    22、攻克太赫兹成像关键技术 电子科大获2020年度国家技术发明二等奖
    2021年11月3日上午,2020年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重召开。由电子科技大学信息与通信工程学院杨建宇教授团队、电子科学与工程学院樊勇教授团队共同完成的“太赫兹成像关键技术”项目,荣获2020年度国家技术发明二等奖。
    项目团队由杨晓波教授带领,学校中青年骨干为主要成员,在国家重大重点项目支持下,经过十多年潜心研究,攻克了太赫兹成像核心关键技术,做出了太赫兹波成像从架构、器件到系统和方法的开创性工作,实现了超高分辨率成像,全自主研制出首部超高分辨率太赫兹成像仪,已在国内装备成功应用,满足了国家工程的急需,形成了自主可控知识产权的技术体系。

    23、复旦大学研究人员开发一种手性可调的宽带自旋电子-超表面太赫兹波发射器
    复且大学研究人员提出并开发了一种新型的自旋电子-超表面太赫兹发射器,该发射器能够以一种高效和高度灵活的方式产生和操纵手性太赫兹波。
    研究人员表示,在很宽的太赫兹带宽(1-5THz)内可以实现极好的圆极化(ε>0.75),其产生效率可与商业上可用的非线性晶体相媲美。该设计还允许灵活操纵太赫兹极化状态、螺旋度与磁场。混合太赫兹发射器结合了自旋电子发射器(超宽带、高效、高度灵活)和超表面发射器的优点,在超紧凑平台上强有力的控制发射的太赫兹波的极化状态。这项工作为超表面限定的自旋电子发射器高效产生和控制太赫兹波开辟了一条新途径。

    24、强磁场科学中心研发出一种基于声子的新型单频磁控太赫兹源
    瞄准太赫兹核心元器件这一前沿研究方向,中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心盛志高课题组与该院固体物理研究所、中国科学技术大学组成联合攻关团队,开展了新型太赫兹源的研发,研发出了频率为~0.9 THz的单频太赫兹辐射。这一声子单频太赫兹源的成功研发不仅有助于低维磁性材料中声子极化子的理解,而且为新型太赫兹源的实现提供了全新策略。

    25、第46届国际红外毫米波-太赫兹会议在线开幕
    2021年8月30日,由电子科技大学主办的第46届国际红外毫米波-太赫兹会议在线开幕。本次大会由刘盛纲院士团队于2018年9月在日本名古屋召开的第43届国际红外毫米波-太赫兹会议上赢得举办权。会议自2019年7月起正式开始筹备,由电子科学与工程学院(示范性微电子学院)、红外毫米波太赫兹研究院具体执行。受新冠肺炎疫情影响,会议于2021年8月16日正式对外公布由原定的线上(境外)线下(境内)结合模式转变为全线上模式。
    本次大会共收录了823篇论文,包括10场大会报告、56场主题演讲、378场口头报告和379份海报,内容覆盖了太赫兹辐射源、太赫兹传输及功能器件、太赫兹探测和接收及太赫兹各领域应用发展等主题,充分展示了各国高校、研究机构及高新企业在红外毫米波与太赫兹科技研究方面的最新进展。

    2021太赫兹科学技术领域那一个个充满创新和突破的时刻已经成为我们的集体记忆,更澎湃着我们对2022的新期待和新希望。旧岁已展千重锦,新年更进百尺竿。展望未来,新的征程已然开启,我们要做好科学谋划、合理布局,着眼于中长期国家重大需求与产业发展需要,进一步加大对太赫兹领域基础科学和基础性创新的投入,做好太赫兹领域关键共性核心技术的收集梳理,着力补短板、强弱项、优结构。以“协同创新”为平台,进一步加强人才引进与培养、成果转化与落地。促进产、学、研、用、商多位一体合作,聚焦重点,集中优势,加强太赫兹前沿技术攻关,突破关键核心技术瓶颈,尤其是突破国外封锁的能填补国内空白的核心环节,推动我国太赫兹产业共性技术、关键技术和前瞻性技术的解决和产业化。

    虽然目前暂时受到了疫情、外部大环境变化等不利因素的影响,但“积力之所举,则无不胜也;众智之所为,则无不成也”。只要我们凝心聚力,攻坚克难,集中一切可以集中的力量,调动一切可以调动的积极性,以更加坚定的信心,务实的态度,创新的精神,饱满的热情,携手共创太赫兹科学技术事业崭新的未来,我们每个怀揣中国梦的太赫兹科研产业人员心中的理想之花就一定会绽放!

    2022年的新年钟声即将敲响,在辞旧迎新之际,希望我们每一个人都时刻拥有爱笑的脸庞、愉悦的心情,愿2022 一切安好!太赫兹研发网恭祝大家:新年快乐,阖家安康!

 
 

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