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 太赫兹科学技术的新发 71488
 第五届全国太赫兹科学 71201
 (2011.10-2 68130
 (2011.7-20 38829
 (2012.10-2 35327
 (2011.4-20 34868
 基于光学方法的THz 27362
 石墨烯在微波光子学中 26939
 (2012.04-2 26464
 2007年国际红外与 25701
     文 章 新 闻 中 心
国际红外毫米波——太赫兹会议的视角力量的多样性
发布时间:2015-11-09 08:45:38 阅读:3036

来源:《自然光子学》 | 新闻与观点;中国太赫兹研发网 余郑璟博士 编译
作者:Noriaki Horiuchi

    今年在香港举行的国际红外毫米波--太赫兹会议上,代表们讨论的议题涉及到下一代的无线通讯、亚周期脉冲高次谐波的生成,以及材料激发动力学超快探测等。

    尽管在太赫兹科技的发展过程中,成像与光谱研究因其重要的应用性和推动性而倍受关注、机会丰厚,但另外一个特别具有潜力的领域就是太赫兹无线通讯。在今年8月23-28日香港中文大学召开的第40届国际红外毫米波——太赫兹会议上,就透露出这样的信息。

    随着对无线通讯的数据传输要求越来越高,对使用载波的频率也要求越来越高。事实上,为了达成预计传输需求,数据速率在10年内会提升到每秒100 Gbits,这势必要求载波频率达到275 GHz以上。

    “我们近年来在半导体器件上取得的进步,加上在太赫兹频段集成电路可操作性的提升,在技术上我们完全可以实现,”来自日本大阪大学的Nagatsuma对《自然光子学》表示,“除了数据速率的优势之外,相较于微波通讯,太赫兹通讯的优势还包括低能耗、收发器体积小,尤其是天线尺寸特别小。”他补充到。

    他继续谈到科学家们现在都转向太赫兹通讯的光学研究,而不是电子学或电子器件研究,其原因就是在于采用光子器件可以更容易实现更高传输数率。“除此之外,基于光学的系统,还可以充分利用未来光纤和无线通讯网络来部署,”Nagatsuma相信超宽带放大器与天线是充分利用带宽的最重要组成部件。“即便是基于光学的系统,仍然需要放大器来提高发射机的输出功率,增强接受器的敏感度,”他强调到。

    太赫兹通讯器件需要在集成与封装方面有更多的创新,才更具实践意义。西班牙马德里卡洛斯三世大学(Universidad Carlos III de Madrid)的Guillermo Carpintero讲述了他和同事们如何研发、集成了毫米波与太赫兹波的光学光源,他说到,“尽管我们可以采用现在通用的建构模块,但对于布拉格反射镜(Bragg mirrors)却没有现成的建构模块。”所以他们团队就针对锁模激光器研发了概念型集成多模干涉反射镜。基于大约为1,560 nm的锁模光电子集成芯片,其光外差源光谱显示频率为90GH载波。他们就是利用这种集成芯片式光外差源进行宽带无线数据传输。

    就基础科学而言,2015国际红外毫米波--太赫兹会议组委会主席,来自美国罗彻斯特大学(University of Rochester)的张希成(意译)表示,这次会议上,许多提交论文和特邀演讲也是关于太赫兹超级材料与太赫兹纳米光子学的。

    来自德国雷根斯堡大学( University of Regensburg)的Rupert Huber就谈到了亚周期太赫兹脉冲在他们研究中的作用。在他讲座的前半部分,他主要涉及对单层金属硫化物激子的研究——这是当前被受关注的一类2维材料。与众所周知的2维材料石墨烯不同,这种单层原子的过渡金属硫化物具有在光学范围内直接能量间隙的特点,使之具有构造薄型光电器件的潜力。该材质的光学特性由激子决定,而要充分了解激子的性能表现与动能仍是一大挑战。Huber在研究中采用了超短、超宽带太赫兹脉冲来探测激子1s与2p轨道间类原子内部莱曼过渡(Lyman transition),并直接测量了跃迁能、振子强度、密度与动能。但是在单原子的光激激子层上太赫兹反应却十分微弱,因此他们团队只好提高太赫兹探测器的灵敏度以追踪微小的信号变化。

    超宽带太赫兹脉冲展示了1s–2p共振的重要细节,包括准确的跃迁能、振子强度、密度与线宽。与带间光激发光和吸收光谱不同,太赫兹探测对所有1s 激子都十分敏感,无论其动量如何,这为充分全面了解激子动力学提供了可能性。值得注意的是,已经观测的动能衰减标志着在150飞秒内小动能激子的超快辐射消失,而在光学暗态中俄歇复合(Auger recombination)更为普遍。“这样的结果标志着内部激子过渡对量子控制、硫化物单层的光电学和波谷电子控制学研究是一种崭新新角度的自由。”Huber解释到。

    Huber讲座的后半部分则主要关注在高强太赫兹脉冲下,由大块GaSe晶体生成高次谐波(HH)。最新在固体中生成高次谐波的发现为研发紧凑、固态阿托秒光源与光波驱动电子学的研究点燃了希望的火花。一直以来,Huber致力于亚周期瞬时分辨率时域太赫兹高次谐波的生成研究,来探索其中的微观电子动力学。太赫兹脉冲的低载波频率为获取大功率有质动力能量提供了可能——至少在理论上——开启了将高次谐波截至频率推向新记录的新方法。

    “由大块GaSe晶体发散的高次谐波(HH),其亚周期瞬时结构反映了强场作用的新特质,”Huber表示。与已经实现的原子光源截然不同的是,该光源发散出的高次谐波(HH)辐射呈现出一系列亚周期连续发射。这些特征是多价带电子参与全新非微扰量子干涉的重要标志。“这些结果澄清了未来固态阿托秒光源、下一代光波电子学,以及基于强场干扰,启用亚周期量子控制的主要机制,”Huber对《自然光子学》说明。

    来自加拿大阿尔伯塔大学(University of Alberta)的Frank Hegmann谈到采用太赫兹扫描隧道显微术(STM)对GaAs上单一InAs纳米超快动能的成像。在THz STM过程中,自由空间传播的太赫兹脉冲具有皮秒持续时间,与扫描隧道显微镜顶部形成耦合天线,产生基于隧道结当前电压 (I–V)曲线形状的瞬态矫正隧道电流信号。样本的激发可能影响局部电场以及局部态密度,同时也修正当前电压I–V反应。THz STM对隧道结局部电压 (I–V)反应非常敏感,可以为物体表面激发瞬态动力学在0.5 ps 时间分辨率和 2 nm空间分辨率上提供信息。

    Hegmann正在升级系统。“我们目前研发的THz STM可在超高真空操作,目标是在物体表面实现对超快动力学的原子级分辨率成像,”他指出。限制THz STM空间分辨率的物理因素本质上与传统的STM受限因素类似。但是,高太赫兹场可能从顶部开始的更大区域内产生隧道电流,这会进一步影响空间分辨率。目前THz STM的瞬时分辨率主要受太赫兹脉冲本身持续时间的限制,当然也受耦合天线的本身特性的限制(如顶部材料、几何构造、太赫兹入射角度等)。最后,瞬时分辨率还受隧道时间的限制,因为它可能会加快(~1 fs)。

    由于太赫兹波在水中的吸收系数比可见光高出几百万倍,在太赫兹光谱中,水通常被视为一种麻烦。德国波鸿鲁尔大学(Ruhr-University of Bochum)的Martina Havenith重点强调了水中太赫兹吸收光谱的重要性。

    “大部分化学反应以及基本上所有生物过程都是在液态环境中发生,”在向观众解释时,她指出太赫兹吸收光谱的确大有裨益。首先,太赫兹波能覆盖水的所有低频模式,并与共振模式相关连。因此他们可以直接探测共振氢键网络动力。其次,太赫兹波对氢键打开与关闭相关的皮秒运动敏感。第三,蛋白质太赫兹光谱对突变敏感,并取决于蛋白质表面电荷和灵活性。

    她采用了高平均功率的p-型 Ge激光,实现太赫兹在水中50–100 ?m分层的吸收光谱。她强调在实验过程中,保持样本细胞周围湿度少于10%,温度恒定在±0.5 °C范围内。其结果就是,太赫兹吸收系数差异实现了精度低于0.2%。这一太赫兹吸收系数结果论证了她的理论猜想,即蛋白质不仅仅只影响在蛋白质表面的单一水分子,它还会影响其周围10–15 Å范围内的水化动力学,也就是说,水化膜。“在酶催化中,我们首次实现动能太赫兹吸收。我们还可以观察到水分子向蛋白质功能位点(识别位点)的梯度运动——这就是所谓的水漏,”她解释到。

    来自英国利兹大学(University of Leeds)的Matthew Swithenbank也同样研究水中太赫兹光谱,但是采用不同技术——他采用的是芯片式太赫兹时域光谱。这种方法结合了微流通道与位于介质衬底内的单一矩形导线组成的二维Goubau线(PGL) 。但是这并不是一件轻松的任务,因为微流通道引出不匹配阻抗接口的位置正好是通道穿越传输线的位置。接口在时域生成太赫兹频率反射,在最好的情况下变得复杂,在最坏的情况下被阻止,然后进一步分析。

    为了避免这一问题,他制造出基于 50-?m-厚聚酰亚胺薄膜的 PGL,并将微流通道放置在薄膜的背面,以实现对液体样本的穿透基质测量,并可以完成对输电线路感应区域的全部覆盖(因此,消除时域反射)。他展示说这一技术可以轻易区分同源系列中不同的酒类,尽管它们之间的差异仅仅是单一的CH2群。“我们现在准备探索一系列的溶剂型生化系统。”他对《自然光子学》进一步说明到。

    下一次国际红外毫米波--太赫兹会议将会在2016年9月26-30日在丹麦的哥本哈根举行。

    《自然光子学》 9, 714–716 (2015) doi:10.1038/nphoton.2015.210

 
 

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