背景

　　傳統(tǒng)電子器件的頻率一般可達(dá)到100GHz左右。光電子器件采用起始于10THz的電磁波。這一頻率范圍(100GHz ~ 10THz)的電磁波也被稱(chēng)為“太赫茲波”。

　　太赫茲波技術(shù)的用途卻非常廣泛，例如：射電天文學(xué)、醫(yī)學(xué)、通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、無(wú)損檢測(cè)、軍事等諸多領(lǐng)域。為了使大家能夠更直接地了解太赫茲技術(shù)的應(yīng)用，首先讓我們回顧一下筆者以往介紹過(guò)的兩個(gè)典型案例：

　　1)美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員利用太赫茲技術(shù)，對(duì)于一本合上的書(shū)中的書(shū)頁(yè)內(nèi)容進(jìn)行成像。這樣一來(lái)，你無(wú)需翻開(kāi)書(shū)本，就可以閱讀其中的內(nèi)容。

　　(圖片來(lái)源：Barmak Heshmat)

　　2)俄羅斯莫斯科物理技術(shù)學(xué)院(MIPT)的科學(xué)家與他們的德國(guó)和荷蘭同事一起研發(fā)出用太赫茲頻段的電磁脈沖切換計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)狀態(tài)，比磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)的速度快幾千倍。

　　(圖片來(lái)源:莫斯科物理技術(shù)學(xué)院)

　　然而，在太赫茲頻率范圍內(nèi)生成、轉(zhuǎn)換、檢測(cè)信號(hào)的元件卻非常難以實(shí)現(xiàn)。

　　創(chuàng)新

　　近日，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)首次成功地采用尺寸只有幾個(gè)納米的金屬天線，在芯片上生成超短電脈沖，然后在表面之上幾毫米處運(yùn)行信號(hào)，并以一種可控的方式讀取它們。

　　相關(guān)實(shí)驗(yàn)得到了歐洲研究委員會(huì)(ERC)的“NanoREAL”項(xiàng)目和“慕尼黑納米系統(tǒng)創(chuàng)新集群”(NIM)的資助。

　　如下圖所示：從泵浦激光器(左)發(fā)射出的飛秒脈沖產(chǎn)生出太赫茲頻率的片上電脈沖。通過(guò)右邊的激光器，信息被再一次讀取。

　　(圖片來(lái)源：Christoph Hohmann / NIM, Holleitner / TUM)

　　TUM 的物理學(xué)家 Alexander Holleitner 和 Reinhard Kienberger 成功地采用等離激元微型天線，生成頻率達(dá)10THz 的電脈沖，并通過(guò)芯片運(yùn)行這些電脈沖。研究人員之所以稱(chēng)之為“等離激元”天線，是因?yàn)樗鼈兊男螤?。它們?cè)诮饘俦砻嫔显黾庸饩€強(qiáng)度。

　　技術(shù)

　　天線的形狀很重要。它們是不對(duì)稱(chēng)的：納米尺寸的金屬結(jié)構(gòu)的一側(cè)比另外一側(cè)更尖。當(dāng)透鏡聚焦的激光脈沖激發(fā)天線時(shí)，天線在較尖的一側(cè)發(fā)射的電子比較平的另外一側(cè)更多。兩個(gè)接觸點(diǎn)之間會(huì)有電流產(chǎn)生，但是只在天線被激光激發(fā)的情況下。

　　如下圖所示：具有由藍(lán)寶石上的黃金制成的非對(duì)稱(chēng)等離激元天線的芯片的電子顯微圖像。

　　(圖片來(lái)源：A. Holleitner / TUM)

　　論文領(lǐng)導(dǎo)作者 Christoph Karnetzky 表示：“在光電效應(yīng)中，光脈沖誘發(fā)電子從金屬進(jìn)入真空。所有的光照效果都是在較尖的一側(cè)更強(qiáng)，包括我們用于生成少量的電流的光電效應(yīng)。”

　　光脈沖僅僅持續(xù)幾飛秒(1飛秒只有1秒的一千萬(wàn)億分之一)，相應(yīng)地，天線中的電脈沖也很短。從技術(shù)角度說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)特別有趣，是因?yàn)榧{米天線可被集成到尺寸僅為幾毫米的太赫茲電路中。

　　Karnetzky稱(chēng)，通過(guò)這種方式，頻率為200THz 的飛秒激光脈沖能在芯片上的電路中生成頻率達(dá)10THz超短的太赫茲信號(hào)。

　　研究人員采用藍(lán)寶石作為芯片材料，因?yàn)樗粫?huì)受到光學(xué)刺激，因此不會(huì)產(chǎn)生干擾?？紤]到未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用，他們也采用了在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)光纖中應(yīng)用的波長(zhǎng)為1.5微米的激光。

　　Holleitner 及其同事還有另外一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：電脈沖和太赫茲脈沖都與激光器使用的激勵(lì)功率非線性相關(guān)。這表明，天線中的光電效應(yīng)是由每個(gè)光脈沖中的多光子吸收觸發(fā)的。

　　價(jià)值

　　這項(xiàng)技術(shù)將促進(jìn)強(qiáng)大的新型太赫茲元件的開(kāi)發(fā)。此外，Alexander Holleitner 稱(chēng)：“如此快速、非線性的片上脈沖之前一直不存在。”他希望利用這一效應(yīng)，在天線中探索更快速的隧道發(fā)射效應(yīng)，并將它們應(yīng)用于芯片。