您可能从未听说过太赫兹波，但它们可以改变您的生活

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图1，来自哈佛大学、麻省理工学院和美国陆军的工程师于 2019 年创建了这种实验性太赫兹激光装置。Arman Amirzhan, Harvard SEAS。

电磁波谱上有一个工程师无法跨越的空白。

光谱涵盖了一切，从无线电波和微波，到到达我们眼睛的光，再到 X 射线和伽马射线。 人类已经掌握了发送和接收几乎所有信息的方式。然而，仍有一个例外，在可见光束和无线电静电的光点之间，有一个先阶段的技术无效区，它被称为太赫兹间隙。 几十年来，没有人成功地制造出可以传输太赫兹波的消费设备。

图2，太赫兹波段位于微波和红外线之间的电磁波谱的一个狭窄区域。

“有很多潜在的应用，”麻省理工学院的电气工程师Qing Hu 说。一些研究人员正在慢慢取得进展。 如果他们一直坚持研究，他们可能会开辟一套全新的技术，比如 Wi-Fi 的继任者或更智能的皮肤癌检测系统。

太赫兹的奥秘

如果将太赫兹间隙视为中间地带，在左侧，有微波和更长的无线电波，右侧是红外光谱。 （一些科学家甚至将太赫兹间隙称为“远红外线”。）人眼睛看不到红外线，但就现有技术而言，它就像光一样。

无线电波对于通信至关重要，尤其是在电子设备之间，普遍存在在当今的电子产品中。光为支撑互联网的光纤提供能量。这些技术领域通常来自不同的波长，在现代世界中难以共存。

但是这两个领域都很难进入太赫兹区。标准电子元件，如硅芯片，无法快速开展业务以产生太赫兹波。像激光这样的光产生技术，也不适用于太赫兹波。更糟糕的是，太赫兹波在地球大气层中持续时间不长，在空气中的水蒸气仅达到几十英尺后就会被完全吸收。

有几个太赫兹波长可以穿过水蒸气。天文学家已经建造了捕捉这些波段的望远镜，这些波段特别适合观察星际尘埃。为了获得最佳使用效果，这些望远镜需要驻扎在地球上最高和最干燥的地方，例如智利的阿塔卡马沙漠，或者完全位于大气层之外的太空中。

太赫兹间隙的其余部分笼罩在薄雾中，像Hu这样的研究人员正试图解决这个问题，但这并不容易。

工程太赫兹波

在利用太赫兹波时，电子世界面临一个基本问题。为了进入太赫兹间隙，我们电子产品中的硅芯片需要快速改变——每秒数万亿个周期（因此是太赫兹）。您的手机或计算机中的芯片可以以每秒数百万或数十亿个周期完美运行，但它们很难达到数万亿个周期。同时，现有可以工作的实验性太赫兹组件成本与豪华汽车一样昂贵，工程师正在努力降低价格。

另一个领域，光的世界，长期以来一直在寻求制造像激光器这样的设备，可以廉价地产生特定频率的太赫兹波。早在 1980 年代，研究人员就在讨论如何制造这种激光器，然而有人认为这是不可能的。

但麻省理工学院的Hu不这么认为。“我对如何制造激光器一无所知，”他说。尽管如此，制造这种激光仍然是他的追求。

在 1994 年，科学家们发明了量子级联激光器，它特别适合制造红外光。Hu和他的同事需要做的就是将激光发射到更长的远红外线波中。

2002年前后，他们成功制造出太赫兹量子级联激光器。但是有一个问题：该系统需要大约 -343 华氏度的温度才能真正启动，并且需要液氮才能工作，这使得它难以在实验室或低温环境外使用。

从那以后的二十年里，这个温度阈值一直在攀升。Hu实验室的最新激光器在 8 华氏度的温度下运行。这虽然不是室温，但它足够温暖，可以将激光放在便携式冰箱中冷却并运出实验室。与此同时，2019 年，来自哈佛大学、麻省理工学院和美国陆军的一个团队创造了一种鞋盒大小的太赫兹激光器，可以改变分子气体。

图3，瑞士洛桑联邦理工学院的工程师于 2020 年创建的纳米级太赫兹波发生器可以在柔性基板上实现。 EPFL/POWERlab。

在 Hu 对他的激光器进行微调的过程中，电子技术也取得了进展。芯片制造方式和材料的进步推动它们运行得越来越快。（瑞士的一个团队在 2020 年制造的纳米等离子芯片能够传输 600 毫瓦的太赫兹波，但同样仅限于实验室。）虽然电气工程师希望看到更多进展，但设计太赫兹组件并不是遥不可及的梦想。

“现在我们真的可以在芯片上制造非常复杂的系统，”麻省理工学院的电气工程师 Ruonan Han 说。 “所以我认为情况正在发生变化。”

“过去 30 年，无论是从无线电波，还是红外光谱方向，双方都取得了进展，”加州大学圣巴巴拉分校太赫兹设施的物理学家 Mark Sherwin 说。“它仍然相对罕见，但我想说，已经非常非常常见……而且变得更容易。”

一个在炒作和失望的循环中旋转的新技术世界中，这种长达数十年的时间尺度很常见，太赫兹也不例外。

太赫兹技术的未来

目前，试图从两端进入太赫兹间隙的两个领域在很大程度上仍然是分开的。即便如此，他们正在为科学界提供广泛学科的新能力。

其中一些能力可以加快沟通速度。您的 Wi-Fi 在微波上运行：频率比微波更高的太赫兹可以建立更好的连接，速度要快几个数量级。通过一根电线，它还可以在 USB 和光纤之间形成闪电般的交叉。

太赫兹波也是检测物质的理想选择。 “几乎每个分子都有一个太赫兹频率范围内的‘指纹’光谱，” Sherwin说。这使得太赫兹波成为识别爆炸物和药物分子等化学物质的最佳选择。天文学家已经利用这种能力来观察宇宙尘埃和天体的化学成分。在离地球更近的地方，Han 设想了一种太赫兹“电子鼻”，它甚至可以辨别空气中的气味。

这些太赫兹特征也使远红外线成为扫描人和物体的理想选择。太赫兹波可以看穿光看不到的东西，比如衣服，并且可以避免像 X 射线这样潜在有害的电离辐射。安检人员已经对这项技术表现出了兴趣。

太赫兹波缺乏的一个扫描特征是它们无法穿过水——在空气中和在人体中。但这对医学来说不是障碍。医生可以使用太赫兹设备来筛查 X 射线可能漏掉的皮肤癌的细微迹象；或者神经科学家可能会用它来扫描老鼠的大脑。

Hu认为这项研究还处于初期阶段。 “如果我们能够开发出能够真正看到某些东西而不需要永远扫描某个区域的工具，那真的可以吸引潜在的从业者使用它，”他说。 “这是一个开放式问题。”

太赫兹间隙的大部分仍然是一个空白点，这意味着使用令人垂涎的远红外波的设备还不常见。“研究人员真的没有太多机会探索[太赫兹波]擅长什么，”韩说。“所以，就目前而言，太赫兹间隙内更快、更敏感的世界很大程度上还停留在他们的想象中。”