科学家通过集成激光和反射镜简化了太赫兹设备

可持续一百万分之一秒的电磁脉冲将可能成为医学成像、通讯和药物开发技术的关键。但这种称为太赫兹波的脉冲，长期需要复杂和昂贵的设备才能使用。

如今，普林斯顿大学的研究人员已经大幅简化了太赫兹设备：把其中的激光和反射镜等桌面装置移植到一对大小和指尖差不多的芯片上。

在最近发表在《IEEE固体电路》杂志两篇文章中，研究人员描述了这样一个微芯片，可以产生太赫兹波，第二芯片可以捕捉并读取这些波的错综复杂的细节。

“这种系统是在一个硅芯片大小上实现的，这种芯片技术如今以应用在所有的现代电子设备中，从智能手机到平板电脑，因此在一个批量生产过程中其成本只有几美元，”首席研究员Kaushik Sengupta说，他是普林斯顿电气工程专业的一个助理教授。

电磁波的未来:可实现透视物质新方法的太赫兹芯片

太赫兹波是电磁频谱的一部分，电磁频谱包括无线，X射线和可见光，而前者是位于微波和红外光波段之间。太赫兹波有一些独特的特点，使他们吸引了科学家的兴趣。一方面，他们通过大多数非导电材料，所以他们通过包装或外加盒子可以用于安全的应用场景，由于它们比X射线能量少，他们不会损坏人体组织或DNA。

太赫兹波由于与不同的化学物质作用方式不同，也用于分析不同的化学物质，可以被用来表征特定的物质。这种被称为光谱，太赫兹技术的这种能力，利用光波分析材料是最有前途最具有挑战性的应用，Sengupta说。

为了实现这一目标，科学家发射一系列的太赫兹波到目标物体上，然后观察它们与波相互作用后的变化情况。人的眼睛在可见光范围上具有相似作用，我们看到一片绿色型因为在绿色的光频率由拉登叶片叶绿素产生的光反射。

面临的挑战是如何产生广泛的太赫兹波，并解释其与目标的相互作用，需要一个复杂的设备阵列，如笨重的太赫兹发生器或超快激光。该设备的大小和费用使大多数应用技术不切实际。

多年来研究人员已经开展了很多工作来简化这些系统。九月，Sengupta的团队报告了一种方法可降低太赫兹发生器的大小和设备，使其返回波到一毫米大小的芯片上。解决办法在于新型的成像天线功能。当太赫兹波与芯片内部的金属结构相互作用时，它们会产生一个复杂的电磁场分布，这是入射信号所特有的。通常情况下，这些微妙的区域被忽略，但研究人员意识到，他们可以读取出图案作为一种签名，以确定电磁波。整个过程可以通过微芯片内部的微小器件来完成，它能读取太赫兹波。

“不是直接阅读的电磁波，我们是为了解释的波产生的方式，”Sengupta说。“它有点像我们利用池塘里的涟漪，寻找雨滴的图案。”

Daniel Mittleman是布朗大学的工程学教授，他说这项进步是“非常具有创新性的一项工作，它有很多的影响。”Mittleman是红外毫米波太赫兹波国际协会的副主席，他说在太赫兹波段可以开始应用到日常生活中使用的设备中之前，科学家们仍有很多工作要做，但事态的发展是有希望的。

“这是许多非常大问题中的一个，但它是非常重要的一个，”Mittleman说，他对于这项工作非常熟悉，但没有参与其中。

在太赫兹产生端，最大的挑战是在太赫兹波段内产生宽范围的波长，特别是在微芯片中。研究人员意识到他们可以通过在芯片上产生多个波长来解决这个问题。然后，他们使用精确的时间来结合这些波长，并创建非常尖锐的太赫兹脉冲。

在去年发表在《IEEE固态电路》杂志中的一篇论文中，研究人员解释了他们如何实现了一个芯片产生太赫兹波。研究人员说，下一步是将工作范围扩展到太赫兹波段。“现在我们正在开展太赫兹波段的下一部分工作，”普林斯顿电气工程学院的博士生、两篇论文的作者Xue Wu说。

“你能用十亿个工作在太赫兹频率的晶体管做什么？” Sengupta问。“只要重新设想这些复杂的电磁相互作用的基本原则，我们就可以发明改变游戏规则的新技术。”

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