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瑞士洛桑联邦理工学院开发出新型纳米器件,可生成大功率太赫兹波
发布时间:2020-03-30 08:59:44 阅读:201

来源:环球创新智慧

    背景

    太赫兹(THz)波,是频率范围在100GHz到10THz之间,介于微波与红外线之间的电磁波。

(图片来源:维基百科)

    太赫兹波具有穿透性强、安全性高、定向性好、带宽大、时间与空间分辨率高等技术优势,可以穿透纸张、衣服、木头和墙壁,也可以检测空气污染。

用太赫兹技术对一本合上的书中的书页内容进行成像(图片来源:Barmak Heshmat)

    太赫兹波源可以彻底改变安全和医学成像系统,此外还可以携带海量的数量,进行更快速的无线通信。

太赫兹通信系统(图片来源:荷兰内梅亨大学)

    太赫兹波是一种非电离的辐射,也就是说不会有害人体健康。这项技术已经在某些机场用于扫描乘客和检测危险物品和物质。

太赫兹安检成像示意图(图片来源于网络)

    尽管太赫兹波的前景似乎一片光明,但是目前仍然没有得到广泛使用,原因就是造价昂贵且需要大而笨重的设备来产生。

    创新

    近日,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)开发的一项新技术将改变这一切。位于电力与宽带隙电子研究实验室(POWERlab)的团队,在 Elison Matioli 教授的领导下,打造了一款纳米器件(1纳米等于百万分之一毫米)。该器件可以在皮秒(一皮秒等于一万亿分之一秒)内生成极高功率的信号,从而生成大功率的太赫兹波。

(图片来源:EPFL)

    这项技术可安装到芯片或者柔性材料上,未来甚至可安装到智能手机和其他手提式设备上。这项研究的第一作者是 POWERlab 的博士研究生 Mohammad Samizadeh Nikoo,相关论文发表在《自然(Nature)》杂志上。

    技术

    这款便宜的全电子小型纳米器件,通过一个微型太赫兹波源,立刻生成高强度的太赫兹波。其工作方式是在一皮秒内生成一个强大的“电火花”,这个“电火花”具有从10伏(或者更低)到100伏的电压尖峰。该设备能够几乎连续地生成这种“火花”,这意味着每秒可发出高达5千万个信号。当安装在天线上时,该系统可以产生并发射大功率太赫兹波。

    该器件由两块紧密靠近的金属板组成,它们之间的距离低至20纳米。当施加电压时,电子涌向其中一块板,在那里形成纳米等离子体。一旦电压达到某个阈值,电子几乎立刻射向第二块板。用如此快速的切换实现的这种迅速移动,创造出了一个可以产生高频波的高强度脉冲。

    传统电子器件的切换速度仅能达到每皮秒1伏,这对于生成大功率太赫兹波来说太慢。

    这款新型纳米器件,速度快十倍,可生成既高能量又高频率的脉冲。Matioli 表示:“通常来说,让这两个变量都达到很高的值是不可能的。高频半导体器件的尺寸是纳米级的,它们只能承受住几伏的电压。与此同时,大功率器件,对于生成太赫兹波来说显得太大太慢。我们方案是用最新的纳米级制造技术重新访问老旧的等离子体场,从而提出一种可以突破这些限制的新器件。”

    价值

    Matioli 称新器件将所有的变量都推向了极限值:“你通常不会在同一个句子中听到‘高频率’、‘大功率’和‘纳米级’这些词汇。”

    Samizadeh 表示:“从一方面说,这些纳米器件带来了极高水平的简单性和低成本,从另一方面说,也展示了卓越的性能。此外,它们可以与其他的电子器件例如晶体管集成到一起。就这些特性而言,纳米等离子体可以为超高速电子器件领域塑造一个不同的未来。”

    这项技术除了生成太赫兹波以外还有更为广泛的应用。Matioli 补充道:“我们非常肯定会有更多的创新应用到来。”

    关键字

    纳米器件、太赫兹、天线

    参考资料

    【1】Mohammad Samizadeh Nikoo, Armin Jafari, Nirmana Perera, Minghua Zhu, Giovanni Santoruvo, Elison Matioli. Nanoplasma-enabled picosecond switches for ultrafast electronics. Nature, 2020; 579 (7800): 534 DOI: 10.1038/s41586-020-2118-y

 
 

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