導讀
據瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）官網近日報道，該校研究團隊開發出一款比現今最快速的晶體管快10倍的納米器件。該器件可以生成大功率的太赫茲波。眾所周知，雖然太赫茲波可以應用於從成像到感知再到高速無線通信的一系列領域，但卻難以生成。該器件的大功率皮秒操作，也為某些先進的醫療技術例如癌症治療帶來了巨大的希望。
背景
太赫茲（THz）波，是頻率範圍在100GHz到10THz之間，介於微波與紅外線之間的電磁波。
太赫茲波具有穿透性強、安全性高、定向性好、帶寬大、時間與空間分辨率高等技術優勢，可以穿透紙張、衣服、木頭和牆壁，也可以檢測空氣汙染。
用太赫茲技術對一本合上的書中的書頁內容進行成像（圖片來源：Barmak Heshmat）
太赫茲波源可以徹底改變安全和醫學成像系統，此外還可以攜帶海量的數量，進行更快速的無線通信。
太赫茲通信系統（圖片來源：荷蘭內梅亨大學）
太赫茲波是一種非電離的輻射，也就是說不會有害人體健康。這項技術已經在某些機場用於掃描乘客和檢測危險物品和物質。
太赫茲安檢成像示意圖（圖片來源於網絡）
儘管太赫茲波的前景似乎一片光明，但是目前仍然沒有得到廣泛使用，原因就是造價昂貴且需要大而笨重的設備來產生。
創新
近日，瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）開發的一項新技術將改變這一切。位於電力與寬帶隙電子研究實驗室（POWERlab）的團隊，在 Elison Matioli 教授的領導下，打造了一款納米器件（1納米等於百萬分之一毫米）。該器件可以在皮秒（一皮秒等於一萬億分之一秒）內生成極高功率的信號，從而生成大功率的太赫茲波。
這項技術可安裝到芯片或者柔性材料上，未來甚至可安裝到智能手機和其他手提式設備上。這項研究的第一作者是 POWERlab 的博士研究生 Mohammad Samizadeh Nikoo，相關論文發表在《自然（Nature）》雜誌上。
技術
這款便宜的全電子小型納米器件，通過一個微型太赫茲波源，立刻生成高強度的太赫茲波。其工作方式是在一皮秒內生成一個強大的“電火花”，這個“電火花”具有從10伏（或者更低）到100伏的電壓尖峰。該設備能夠幾乎連續地生成這種“火花”，這意味著每秒可發出高達5千萬個信號。當安裝在天線上時，該系統可以產生併發射大功率太赫茲波。
該器件由兩塊緊密靠近的金屬板組成，它們之間的距離低至20納米。當施加電壓時，電子湧向其中一塊板，在那裡形成納米等離子體。一旦電壓達到某個閾值，電子幾乎立刻射向第二塊板。用如此快速的切換實現的這種迅速移動，創造出了一個可以產生高頻波的高強度脈衝。
傳統電子器件的切換速度僅能達到每皮秒1伏，這對於生成大功率太赫茲波來說太慢。
這款新型納米器件，速度快十倍，可生成既高能量又高頻率的脈衝。Matioli 表示：“通常來說，讓這兩個變量都達到很高的值是不可能的。高頻半導體器件的尺寸是納米級的，它們只能承受住幾伏的電壓。與此同時，大功率器件，對於生成太赫茲波來說顯得太大太慢。我們方案是用最新的納米級製造技術重新訪問老舊的等離子體場，從而提出一種可以突破這些限制的新器件。”
價值
Matioli 稱新器件將所有的變量都推向了極限值：“你通常不會在同一個句子中聽到‘高頻率’、‘大功率’和‘納米級’這些詞彙。”
Samizadeh 表示：“從一方面說，這些納米器件帶來了極高水平的簡單性和低成本，從另一方面說，也展示了卓越的性能。此外，它們可以與其他的電子器件例如晶體管集成到一起。就這些特性而言，納米等離子體可以為超高速電子器件領域塑造一個不同的未來。”
這項技術除了生成太赫茲波以外還有更為廣泛的應用。Matioli 補充道：“我們非常肯定會有更多的創新應用到來。”
關鍵字
納米器件、太赫茲、天線
【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
【2】https://actu.epfl.ch/news/a-nanoscale-device-that-can-see-through-walls/
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