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2023太赫兹科技发展回顾与展望——代新年贺词
发布时间:2023-12-29 12:26:25 阅读:397

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》国际在线期刊 杨平

    岁月的脚步匆匆,一转瞬,又到了岁末年尾。回望2023年太赫兹科技的发展,充满着喜悦和兴奋。这一年,对于太赫兹科技的探索,我们从未停止,而在探索之下每一次进步和突破的背后,都蕴藏着太赫兹科技为世界带来的改变与惊喜。

    回首2023年,太赫兹研发网筛选并整理了太赫兹领域若干重要事件。它们不仅是我们在太赫兹科技领域关注的焦点,也代表了世界太赫兹科技创新的最新动态和未来趋势,同时也印证了中国太赫兹科技创新的突破和发展,见证了中国太赫兹科技力量的崛起,为新一年的发展提供了坚实基础。

    1、清华大学工程物理系唐传祥、颜立新课题组在太赫兹电子束研究中取得重要进展
    清华大学工程物理系唐传祥、颜立新课题组在《自然•光子学》(Nature Photonics)期刊上在线发表了国际首个覆盖“THz间隙”的电子束实验验证结果,首次产生了1-10THz宽频域范围连续可调的高聚束因子电子微束团串,解决了本领域长期存在的难题,为新型高功率可调窄带太赫兹辐射光源发展及应用铺平了道路。

    2、科学岛团队研发出一种光控太赫兹相位调制器
    中科院合肥研究院强磁场中心磁光团队成功研发了一种主动的太赫兹相位调制器。相关研究成果发表在ACS Applied Electronic Materials 国际期刊上。
    该团队与固体所苏付海团队合作,经过大量材料筛选与技术探索,发现氧化物晶体NdGaO3可以使太赫兹发生明显相位移动。研究结果表明,NdGaO3晶体在100-400K下可以实现~94°的相位移动,相位移动大小几乎线性依赖于太赫兹频率,并且具有晶体各向异性。采用光控的方式,研究团队实现了太赫兹相位的主动调制,即在20 J/cm2的光照激发下,NdGaO3晶体可以实现稳定的相位调控~78°,通过改变光照激发强度,可以实现多态的太赫兹相位移动。该结果表明NdGaO3晶体是太赫兹移相器的合适候选材料,其灵敏度和稳定性有望在新型太赫兹光学器件中得到良好的应用。

    3、上海光机所在单层WSe2-Si超快太赫兹发射光谱研究方面取得进展
    中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与国科大杭州高等研究院和中国科学院空天信息研究院合作,在二维WSe2-Si的混合维度异质结中瞬态电流太赫兹发射动力学以及谷自由度探测方面取得研究进展。
    本工作首次利用非接触的超快太赫兹发射光谱技术探测了TMDs-Si异质结中耗尽场放大的瞬态光电流,并利用其探测了其中单层二维材料放大的谷自由度并实现了全光操控。
    硅基二维-三维材料异质结中实现太赫兹辐射放大的方法拓展了基于超快光学方法的太赫兹辐射源提升效率方式,对于新型片上可集成的太赫兹芯片研究具有重要的意义。此外,超快太赫兹发射光谱在室温条件下对于TMDs材料中谷光电流的无接触探测拓宽了探测自旋动量锁定效应的方法路径,为基于此类异质结的谷电子学的研究提供了新的思路。

    4、基于液晶弹性体超表面机械变形的主动太赫兹波束转向
    天津大学太赫兹波研究中心谷建强教授和南方科技大学电气与电子工程系罗丹教授领导的科学家团队合成了一种由液晶单体(RM006)、液晶交联剂(RM257)和光引发剂(Irgacure 651)组成的LCE。当温度超过相变点时,LCE单层内产生的应变会使整个LCE向分子平行方向一侧弯曲。
    课题组以LCE薄膜为柔性衬底,设计了以铝c形裂环为谐振腔的相位不连续超表面,实现了宽带太赫兹波前转向的主动操纵。超表面的线性相位梯度由8个相位间隔为π/4的c形分裂环周期性地排列在LCE衬底上。当入射太赫兹波通过超表面时,正交偏振的输出方向根据广义斯内尔定律发生偏转,从而产生太赫兹波前转向。
    LCE超表面所展示的潜力为太赫兹波段的光束跟踪、频率滤波和温度传感提供了相当大的选择,这反过来又将推动下一代无线通信、太赫兹成像和太赫兹光谱检测的研发。这项工作中提出的设计原则可以扩展到其他频段,为活跃超表面的研究开辟了一条相当大的道路。

    5、科学家将太赫兹辐射与自旋波结合在一起
    由德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR)领导的一个国际研究小组开发了一种新方法,可以有效耦合太赫兹波与波长更短的自旋波,即所谓的自旋波。正如专家们在《自然物理》杂志上发表的报告所述,他们的实验与理论模型相结合,阐明了以前认为不可能的这一过程的基本机制。该结果是开发新型节能自旋数据处理技术的重要一步。
    这项工作是将太赫兹技术应用于新型电子元件的重要一步。同时,所演示的方法为基于自旋的器件的非接触表征开辟了新的可能性。

    6、使用金刚石产生超短太赫兹脉冲
    由加州大学伯克利分校的Y. Ron Shen教授和复旦大学的田传山教授领导的科学家团队开发了一种产生超短太赫兹脉冲的新技术。
    他们的研究明确表明,金刚石中的R-FWM可以在宽光谱范围内制成高质量、强大的fs太赫兹发生器,没有任何间隙。作为通过拉曼激发声子波的直接频率下转换过程,R-FWM产生与输入的飞秒红外脉冲相同的飞秒太赫兹脉冲,除了频率漂移和辐射效率的一些修改之外。一个高质量的输入脉冲产生一个几乎同样高质量的太赫兹脉冲。

    7、太赫兹光子马约拉纳零模量子级联激光芯片
    新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的Qi Jie Wang教授团队及其合作者们通过构建光子类马约拉纳零模(Majorana-like zero mode),在量子级联激光芯片中实现单模、柱状矢量光场输出的太赫兹量子级联激光器。相关成果以“Photonic Majorana quantum cascade laser with polarization-winding emission”为题发表于期刊《Nature Communications》上。
    团队创造性地将凝聚态中p波超导的马约拉纳零能模式引入到光子晶体体系,并利用光子类马约拉纳零能模式的辐射特性,实现了全动态范围单模输出(边模抑制比大于15dB,输出光率约1毫瓦)、柱状矢量光场调控、固态电泵浦、单片集成的太赫兹拓扑激光器。

    8、紫金山天文台牵头完成中国南极科学考察太赫兹实验
    中国第39次南极科学考察期间,中国科学院紫金山天文台牵头完成了南极内陆太赫兹天文试观测和通信收发等实验。
    科研人员分别在昆仑站和泰山站开展了太赫兹天文试观测和通信收发演示实验,首次实现我国自主研制太赫兹探测设备在南极内陆极端环境下的成功运行,并精确测定冰穹A地区0.5THz观测窗口大气透过率,进一步完善了前期太赫兹天文台址测量结果,对未来南极内陆太赫兹天文观测具有指导意义。本次实验还首次实现南极内陆地区公里级0.5THz频段太赫兹信号收发实验,为今后在南极深入开展下一代通信技术研究和实验验证奠定了基础。

    9、香港城市大学发明了一种可调谐太赫兹元器件,用于高精度6G通信
    随着第六代 (6G) 无线技术的出现,无线通信的未来将实现巨大飞跃。香港城市大学的一个研究团队发明了一种突破性的可调谐太赫兹元器件,可以控制太赫兹光束的辐射方向和覆盖区域。该新型太赫兹可调谐元器件有望在 6G通信系统中具有巨大的应用潜力,包括无线电力传输、变焦成像和遥感。

    10、无间隙宽光谱超短太赫兹脉冲新方案
    来自复旦大学表面物理国家重点实验室、微纳米光子结构重点实验室的Y. Ron Shen教授团队提出了一种利用拉曼共振增强和四波混频产生无频率间隙、可调谐的太赫兹脉冲的新方案,可以在无间隙宽光谱范围内产生超短的太赫兹脉冲,为材料分析提供了新的可能。
    研究人员在实验中,演示了高度稳定的、低周期、变换受限、具有接近高斯的空间和时间分布以及载波频率可从5~20 THz的太赫兹脉冲的生成。生成的太赫兹脉冲具有稳定且可控的载流子包络相位(CEP),并且在10 THz处携带约15 nJ的能量(0.5毫米厚的金刚石)。实验测得的该太赫兹发生器的太赫兹脉冲特性与理论预测吻合良好,很好地覆盖了太赫兹光谱中现有的太赫兹间隙。

    11、中国研究人员成功创造6G无线网络高速传输关键材料
    电子科技大学研究人员设计并演示了两个全硅太赫兹超表面器件,可用于创建四个光通道,以同时实现不同的光学功能。此功能可用于各种应用,例如通信、太赫兹成像、粒子操作或编码量子信息。
    在这项新工作中,研究人员使用500μm厚的超表面来创建两个太赫兹器件。超表面是用微小纳米结构设计的材料,可用于操纵光。
    他们制造的第一个装置使用太赫兹波的偏振状态作为开关来选择涡旋波和球面波叠加状态所携带的信息。球形波向所有可能的方向向外传播,而涡旋波具有特殊的螺旋形状。这种扭曲的形状产生了旋转运动,赋予了轨道角动量(OAM),可用于携带信息或移动粒子。该器件可以使用入射电磁波的偏振状态作为干涉条纹数量的选择开关,可用于干涉测量、多普勒分析和其他应用。在这种情况下,当X偏振波垂直撞击超表面时,它将产生具有两个顺时针螺旋条纹的干涉图案。
    研究人员还设计了第二种设备,可以使用太赫兹波的偏振状态作为开关来选择多通道传输的通道数。例如,当两个具有x偏振的波垂直入射超表面时,则透射波有两个通道:左和右。这两个通道分别携带涡旋波和球形波,没有任何干扰。
    团队负责人Fuyu Li说:“这项工作可以帮助OAM成为光子和物体之间信息传输的载体,它还可以实现新的超薄光子器件,促进太赫兹信息加密和高频通信的发展。”

    12、上海微系统所在自参考太赫兹双光梳方面取得重要进展
    中国科学院上海微系统与信息技术研究所曹俊诚、黎华研究员太赫兹(THz)光子学研究团队与华东师范大学曾和平教授团队合作,在高稳定自参考太赫兹双光梳方面取得重要研究进展。项目团队提出自参考方法,完全消除了THz双光梳共有载波噪声,同时抑制了重复频率噪声,将THz双光梳梳齿线宽由未稳频的2-3 MHz量级压缩至14.8 kHz,大幅提升了THz双光梳光源的稳定度。

    13、天津大学构建红外太赫兹宽谱探测器,极大提高太赫兹探测器的性能
    天津大学副教授张雅婷团队一直致力于采用新材料与新机理相结合的方式,来研究室温运转的高灵敏红外-太赫兹探测器。
    通过分析测辐射热计光热电流、以及追踪离子迁移的动态过程,该团队首次提出离子-测辐射热效应;在微纳尺度深入研究离子-测辐射热效应的关键作用,并结合库伦过程实现对于红外及太赫兹波独特的负电压响应;并利用离子-测辐射热效应,结合太赫兹埋底天线设计,构建出一种新型红外-太赫兹宽谱探测器,借此极大提高了太赫兹探测器的响应性能。

    14、西安光机所在太赫兹消色差超透镜研究方面取得新进展
    西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室在太赫兹频段可变焦消色差超透镜领域取得新进展,相关研究成果发表于Journal of Science: Advanced Materials and Devices(IF = 7.38)。
本研究成果为设计多功能消色差超透镜提供了一种新思路,有望进一步拓展太赫兹频段超透镜在显微成像和内窥镜等领域的实际应用。

    15、上海理工大学光电学院在《Nature Materials》上发表研究成果
    上海理工大学光电学院联合西班牙CIC nano GUNE和复旦大学等单位的研究人员基于性能优化的THz s-SNOM在低对称单斜晶系Ag2Te纳米薄片中首次观测到面内各向异性太赫兹等离激元。该研究成果以“超限域面内各向异性太赫兹声学等离激元的实空间观测”(Real-space observation of ultraconfined in-plane anisotropic acoustic terahertz plasmon polaritons)为题发表在国际顶尖期刊《Nature Materials》(《自然材料》,中科院一区,影响因子47.656)。
    该原创性成果填补了极化激元光学领域空白,对极化激元光学基础和应用研究具有重要指导意义,同时也为太赫兹纳米尺度下基础及应用研究构筑了新平台。

    16、揭开未知面纱:光谱学的新突破,材料物理的新发现
    来自加拿大渥太华大学(University of Ottawa)与德国马克斯•普朗克光科学研究所( Max Planck Institute for the Science of Light)的科学家们提出了一种突破性的方法,将太赫兹光谱和实时监测相结合,以促进材料科学的新发现。
    该项研究的结果——“单脉冲太赫兹光谱以50 kHz的速率监测亚毫秒时间动力学 ”发表在了最近的《自然通讯》杂志上。

    17、捕获超快非透明场景
    加拿大国家科学研究所(INRS)的Roberto Morandotti教授团队首次实现了单次超快太赫兹摄影。这项发表在《自然通讯》上的重要成果能够以亚皮秒级的分辨率实现时间与空间的超短动力学演化。
    在这项研究中,来自 INRS Energie Matériaux 电信研究中心的 Morandotti 团队利用精心设计的光学探测光束进行太赫兹检测的电光采样技术,该探测光束在时域和空间频域中同时复用。
    据研究者们介绍,他们的系统对于研究先进材料与结构中的不可重复性或破坏性动力学方面将成为一个前所未有的工具。

    18、中国教育报 | 电子科大研发通信系统亮相大运会:“影”随人动 纤毫毕现
    电子科技大学最新技术成果“80Gbps太赫兹实时通信系统”在成都第31届世界大学生夏季运动会中示范应用,首次实现了体育赛事无压缩8K超高清视频的超低延时无线传输。
    电子科技大学教授、太赫兹通信国家级科技创新团队带头人陈智介绍,电子科技大学从2006年开始研发太赫兹通信技术,面向典型场景的实验验证和示范应用是下一阶段的重点工作。“成都大运会上的视频传输是一次典型示范应用,对于推进太赫兹通信技术的发展具有重要意义。”

    19、上海光机所等在太赫兹波电子加速研究中取得进展
    中国科学院上海光学精密机械研究所李儒新、田野和宋立伟团队,在太赫兹波电子加速领域取得重要进展。该团队基于上海光机所新一代超强超短脉冲激光综合实验装置,利用超强超短激光驱动丝波导产生毫焦耳级太赫兹表面波,并采用表面波进行电子加速,解决了高能量太赫兹波产生以及自由空间太赫兹波至波导能量耦合效率低等难题。该研究将太赫兹波的产生、传输及耦合集成到波导上,并在波导管中5mm距离实现了最高1.1 MeV的电子能量增益和210 MV/m的平均加速梯度,较当前太赫兹波加速电子能量增益的世界纪录提升了近一个量级,并为全光学集成化电子加速器研究开辟了崭新途径。

    20、产生太赫兹波的非相对论和非磁性机制
    发表在《Advanced Photonics》上的一项新研究介绍了一种直接利用界面上光敏触发的高密度电荷电流的非相对论和非磁性的方法。
    这项开创性的工作由中国复旦大学物理学系应用表面物理国家重点实验室和微纳光子结构教育部重点实验室,上海量子科学研究中心,北京师范大学物理学系高等量子研究中心的研究人员共同完成。
    该研究利用两种导电金红石氧化物的电性各向异性:反铁磁RuO2 和非磁性IrO2。这些氧化物的单晶薄膜可以使从光激发的金属薄膜注入的超扩散电荷电流偏转,将其从纵向转为横向方向。这个过程产生了高效的宽带太赫兹辐射。
    与现有技术相比,该方法具有更大的灵活性和可扩展性,因为现有技术受到增加重金属材料自旋霍尔角度的挑战的制约。
    这项技术的影响不仅限于高效太赫兹波的产生。它还通过利用金属界面上高密度电荷电流展示了能量收集、超快速电子学和太赫兹光谱学的前景。这将推动各种现代技术的进步,包括太阳能电池、人工光合作用和高效光电器件。

    21、西安交大科研人员在太赫兹检测成像研究领域取得新进展
    西安交通大学张留洋教授团队基于太赫兹时域信号的局部对称性特征,结合脉冲信号的多次反射机制,提出了一套在极低信噪比下进行高对比度成像的太赫兹信号处理体系,能够对涂层、复合材料和电子器件的内部缺陷实现高效精确定位与检测,有望应用于机械领域关键构件的损伤检测。
    研究人员通过分析太赫兹波在多层结构内部的传输过程,研究了脉冲信号的多次反射机制,并据此提出了一种全新的太赫兹检测成像方案,设计了一种适用于极低信噪比下的结构重建方法,在信噪比低至-6dB时仍能有效提取太赫兹脉冲,实现了30层复合结构的准确测量与重建。进一步,提出了一种太赫兹图像对比度增强策略,利用太赫兹脉冲信号的边缘部分,在不额外增加测量时间的前提下获得了较高的对比度增益,使得成像结果的平均峰值信噪比提高了7dB。该工作大幅提高了太赫兹检测技术的检测精度与厚度,推进了太赫兹检测技术的工业应用进程。

    22、上海理工大学太赫兹技术创新研究院在痕量物质的指纹谱识别技术获得新进展
    上海理工大学太赫兹技术创新研究院在庄松林院士的指导下,首次提出了一种频率选择指纹传感阵列平台。该平台针对宽带手型对映体指纹谱和窄带分析物指纹谱,采用不同的指纹谱放大机理(复用增强和AIT增强),实现了统一平台的太赫兹指纹谱放大功能。
    利用此平台测试了1μm的窄带α-乳糖指纹传感特性。结果显示在多个阵列结构上均有吸收诱导透明增强效应,并具有较好的鲁棒性,解决了由于超表面制造误差导致的共振不匹配的难题。因此,所设计的等离子体超表面具有合适的共振线宽,对不同线宽的物质指纹谱,该阵列可提供不同的解决方案,实现宽带手性对映体指纹谱线的复用增强或窄带分析物指纹谱线的吸收诱导透明增强,有利于在实际场景中的应用,例如生物医学,食品安全,环境监控及公共安全等。

    23、重庆研究院在活性神经细胞尼古丁响应的无标记太赫兹检测研究中取得进展
    中国科学院重庆绿色智能技术研究院(简称“重庆研究院”)和中国科学院上海高等研究院(简称“高研院”)共同攻关,在活性神经细胞尼古丁响应的无标记太赫兹检测研究中取得进展。尼古丁是对人体有害的化合物,会导致神经损伤和脑肿瘤,因此研究尼古丁对神经细胞的作用具有重要意义。研究者们通常使用细胞标记技术来评估尼古丁对细胞的影响,但是该类技术不仅耗时、成本高,而且会引入其它化学成分干扰细胞的生理状态。因此迫切需要一种无标记技术来检测尼古丁对神经细胞的影响,揭示尼古丁对神经细胞影响的内在机理。
    研究团队发展了一种太赫兹时域衰减全反射光谱分析技术,以无标记、无损的方式成功地检测了尼古丁对正常和癌变神经细胞的影响。研究发现,太赫兹吸收系数与活性神经细胞的增殖、结构形态和成分变化密切相关。利用该技术,不但可以区分正常和癌变的神经细胞,还可以有效地评估尼古丁对神经细胞的毒理效应。这项工作为尼古丁对神经细胞的影响提供了新的重要信息,也为研究药物对细胞作用提供了一种新的技术手段。

    24、利用太赫兹连续域中准束缚态谐振效应,判别琼脂糖微环境下巨噬细胞的极性
    上海师范大学太赫兹微纳光子学课题组赵振宇老师牵头,协同上海师范大学微生物与免疫研究所、中国科学院纳米器件与应用重点实验室联合攻关。利用太赫兹连续域中准束缚态谐振效应的超表面作为生物医学传感器,精准感知M1和M2巨噬细胞在琼脂糖细胞基质中的极性演化。利用太赫兹时域光谱仪记录了用不同极性巨噬细胞表面修饰体的生物化学属性对谐振的频率的影响,并据此分析了相应的介电光谱,再对比流式细胞术和基因表达测量,揭示了巨噬细胞的表面标志物如何影响太赫兹连续域中准束缚态的变化。本工作利用不同极性细胞表面修饰物化学属性的差异,影响了琼脂糖的有效介电环境,从而识别出不同极性的巨噬细胞。
    上述方法可以确定指纹太赫兹透射光谱,例如频移、线宽和光谱配置的不对称程度。这是将其开发为用于识别巨噬细胞极点的无标记、无损且具有成本效益的生物传感器的非常重要的一步。

    25、第九届全国太赫兹科学技术学术年会成功举办
    第九届全国太赫兹科学技术学术年会于2023年11月3日至5日在北京亮马河会议中心成功举办。此次会议由中国电子学会太赫兹分会和中国兵工学会太赫兹应用技术专业委员会主办,由中国电科十二所、微波电真空器件国家级重点实验室、电子科技大学、北京理工大学、毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室、毫米波太赫兹产业发展联盟共同承办。
    年会在6个报告厅同时进行了持续两天共180个精彩的学术报告,内容涉及:太赫兹信道测量与建模、太赫兹通信应用与产业化、太赫兹系统及仪器、太赫兹吸波材料及应用、太赫兹扫描探针显微镜及其应用、太赫兹多元信息获取与分析、太赫兹检测、太赫兹芯片集成封装技术、太赫兹超构表面、真空太赫兹源技术、太赫兹生物物理及其应用等方向。
    此次年会报告内容丰富,全面展示了我国太赫兹科学技术研究与应用近年来的最新进展与成果,实现了充分而高效的学术交流,得到与会专家的肯定和高度评价。

    回顾过去一年太赫兹科学技术领域的发展成就和动向,我们有太多的欣慰与感慨,太赫兹科技的进展为我们展示了太赫兹的巨大潜力和广阔应用前景。作为太赫兹研发网一年一度最重要的年终盘点,“太赫兹科技发展回顾与展望”已走过十二个年头,十二年的坚持,我们始终关注太赫兹科技领域的研发和产业发展,通过及时、专业的内容,为太赫兹研发和产业界人士提供最新、最前沿的资讯。我们希望能够帮助业内外人士更好地了解太赫兹科技的发展动向和趋势。

    展望2024,探索的脚步从未停歇,太赫兹科学技术的发展将更加迅猛,并与纳米光学、量子信息、材料科学等多个学科展开进一步的交叉融合,推动更多新材料、新设备、新器件与新应用的拓展。我们有理由相信,太赫兹科技将在未来通信、安全、医疗等领域发挥越来越重要的作用,同时,对太赫兹科技进行更深入的基础研究和更广泛的应用研究也将为解决人类社会面临的许多问题提供新的思路和方法。在这个充满机遇和挑战的时代,让我们共同期待太赫兹科技不断发展,通过持续创新赢得美好未来,为人类社会的进步带来更多的可能性。

    2024年即将如约而至,在这一刻,我们要把最美好的祝福送给大家,愿你心之所想,皆是美好,所有幸运,不期而遇,所有的努力,都有好的结果。祝2024新年快乐!幸福安康!

 
 

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