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中国科学报 | 太赫兹:信息时代待开发的处女地
文:刘盛纲 胡旻 来源:社会媒体 时间:2021-09-30 10694

编者按:2021年9月30月,《中国科学报》第三版以《太赫兹:信息时代待开发的处女地》为题,刊发了电子科技大学刘盛纲院士和胡旻教授的署名文章,全文如下:

中国科学报刘院士团队版面.png

1865年,当英国科学家麦克斯韦从理论上预言电磁波的存在时,或许没有想到,他为人类开辟了一个全新的时代——信息时代。1888年,赫兹首次在实验中看到了电磁波,1905年马可尼利用电磁波实现了越洋电报,从此人类便在利用电磁波的康庄大道上飞速前进。从收音机到电视机再到无线通信,从手机、微波炉到互联网再到雷达,电磁波无时无刻不在改变我们的生活。过去的150年间,人类不断地追求更快、更远、更大容量的信息传递目标,这一目标从未终止,也不会终止。人类开发利用电磁波的努力会一直持续下去。

电磁波是电场和磁场周期性变化相互耦合产生,其变化的快慢被称之为频率(单位赫兹,Hz)。按照频率的高低,可以将其排列在一个轴线上,类似于家谱,科学家称之为电磁波谱。生活中使用的所有电磁波都可以放在上面,而其实肉眼看到的可见光也是电磁波的一种,其频率为1015Hz,即1秒钟变化1015次的电磁波。

人类对于电磁波的认识和利用已经非常充分,而唯独电磁波谱中间的一个波段没有充分开发,就是太赫兹(THz)波段。其被誉为电磁波谱中尚未开发利用的处女地,处于电子学向光子学的过渡区域。太赫兹波段一般是指频率在0.1THz~10THz的电磁波,而1THz等于1012赫兹。

太赫兹波具有以下特性:载波频率高、带宽大,通信容量大;穿透性好、雷达成像分辨率高;光子能量低、安全性好,可无损检测;覆盖多数物质的特征谱,又被称为指纹谱。这让太赫兹在众多领域表现出重要应用价值,成为各国争相抢占的科学技术制高点。在美国,太赫兹技术被确认为改变未来世界的十大技术之一;在欧盟,已启动多个跨国太赫兹研究计划;日本则将太赫兹科学技术列为未来十年科技战略规划之首。

其实,太赫兹技术距离人们并不遥远,2019年科学家首次观测到了黑洞,也就是大家熟知的“甜甜圈”,就是利用太赫兹天文望远镜进行的观测。

太赫兹技术在未来战场侦察、隐身与反隐身、精确制导、电磁对抗等军事领域也将发挥重要作用。因为未来信息化战争的胜败取决于制信息权,而掌握制信息权的根本在于掌握制电磁频谱权,太赫兹是尚未应用的频谱资源,谁先掌握太赫兹频谱资源,谁就将占据未来军事制高点。

太赫兹也是未来地面无线通信的必然选择。以移动通信为例,从第二代的2G时代到现在的5G时代,通信速率从200kb发展到大于100Mb,已经使我们每个人感受到通信的快捷便利。未来发展到太赫兹移动通信时代,通信速率将超过100Gb,高出3个量级,我们可以想象,太赫兹移动通信技术将为我们的生活带来何等的变化?一方面,随着太赫兹技术的发展,电子设备的体系结构将发生革命性的变化,信息的交互将不依赖于电路板和线缆。另一方面,随着人类社会的飞速发展,对大容量高速信息的交互需求越来越旺盛,天基卫星互联网正在蓬勃发展。

太赫兹在高速率通信、电磁对抗与遥感等信息领域,及物理、化学、生物、医学等前沿基础领域中已显示出巨大的潜力。以太赫兹生物交叉领域为例,红外光谱只能检测出分子键的振动。太赫兹可以测量这些由碳、氢、氧、氮元素组成的大分子有机基团,如蛋白质大分子的基团振动和转动谱,从而以指纹谱的形式检测出有机物的分子基团构型等信息。2014年,英国科学家首先观察到了蛋白质的活体折叠,并证明了蛋白质可以在离体的情况下长时间存活,开启了研究太赫兹和生物体系相互作用的大门。

我国正式开展太赫兹研究始于第270次香山科学会议。笔者所在团队受国家委托,组织专家学者齐聚北京香山饭店,探讨我国太赫兹科学技术发展方向。最后,大家一致认为太赫兹既是“科学技术前沿”又是“国家重大需求”。而且,随着时间的推移,人类会更加充分地利用这段频谱。

如何突破太赫兹辐射、探测技术的瓶颈,是目前太赫兹领域发展亟待解决的核心问题。可以预见,太赫兹辐射和探测技术的突破,将给人类生活和社会发展带来重大变革。

太赫兹的发展从2000年至今也经历了几个阶段:认识太赫兹、太赫兹元器件发展、太赫兹演示系统研发和太赫兹产业化。目前太赫兹正处在从演示系统向产业化发展的关键时期。要在无线通信、医疗器械、生物医学系统、安全检测系统等四个方向推动太赫兹科技的产业化进程,须尽快建立从太赫兹基础研究、太赫兹元器件到太赫兹系统研究完整的创新链,同时,带动相关产业高质量发展。

今年9月,第46届国际红外毫米波—太赫兹会议在电子科技大学落幕。这一会议是该领域历史最悠久、规模最盛大的顶级学术会议,是第三次在中国举行,这也充分说明了太赫兹研究的“中国高度”受到了世界的广泛关注。

新一轮科技革命和产业变革突飞猛进。作为科技工作者,要“心怀国之大者”,加强原创性、引领性科技攻关,为国家实现高水平科技自立自强贡献智慧和力量,努力将中国建设成为太赫兹研究的全球高地。

(作者刘盛纲系中国科学院院士、电子科技大学教授;胡旻系电子科技大学教授)

《中国科学报》 (2021-09-30 第3版 信息技术)

报道链接:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/9/365623.shtm



编辑:陈伟  / 审核:陈伟  / 发布:陈伟