MIT归国学者挑战电磁波谱仅存的“处女地”,攻克国产太赫兹频段近场显微系统 | 专访

MIT归国学者挑战电磁波谱仅存的“处女地”,攻克国产太赫兹频段近场显微系统 | 专访
2021年09月18日 16:56 麻省理工科技评论

“刘院士当年收我做研究生的时候,说读研究生没问题,但是将来一定要留下来搞太赫兹,正因此我即便在 MIT 做博后,就完全没想过留在国外,”电子科技大学太赫兹科学研究中心教授胡旻告诉 DeepTech,如今已经 87 岁的刘盛纲院士是国内太赫兹的旗手和领军人物,而胡旻也被认为是刘院士在太赫兹研究上的传承者。

太赫兹波段:电磁波谱上仅存的处女地

电磁波是 1860 年物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)在理论上预言出来的产物,指的是电场和磁场相互耦合产生电磁波。1888 年,物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)从实验上证明出来。而人类使用电磁波是从 20 世纪开始。1901 年,实用无线电报通信的创始人伽利尔摩·马可尼(Guglielmo Marconi)率先利用电磁波实现了从美国到英国的越洋电报传输。

(来源:受访者)

从此人类一直在不停地利用电磁波,按照变化的快慢,电磁波可以从低到高排列,科学家称之为电磁波谱,最早的越洋电报的频率是 kHz(即电磁波 1 秒钟变化 1 千次)。以 102.6 MHz音乐之声电台为例,这个电磁波 1 秒钟变化 102.6*10 的 6 次方次。随着信息时代的飞速发展,人类利用逐渐向更高频率上发展。目前,我们无线通信利用的微波,家里的微波炉等就是利用 GHz,也就是 1 秒钟变化 10 的 9 次方的电磁波工作的。

由于人自身生理结构的原因,人类很早便开始研究可见光,其实光也是一种电磁波,只是频率更高,1 秒钟要变化 10 的 15 次方.

那么太赫兹波是什么?太赫兹是比微波频率高、比可见光频段低的这一段电磁波。总地来说,太赫兹是电磁波谱中的一段,只是这一段人类一直没有开发。也正因此,太赫兹波段被称为 “电磁波谱上仅存的处女地”。

整个电磁波谱里边,从马可尼的无线电一直到更高频的 x 射线,中间只有太赫兹阶段是空出来的,这是一个完全新的频段,可以做很多事情。

通信,是关于这一新频段人类自然而然会想到的事情。目前的 5G(第五代无线通信技术)中,仅利用了几 GHz 的电磁波。将来频带不够用的时候,肯定会往几百 GHz 去发展。6G 未必用得上太赫兹,但是总有一代通信技术会用到太赫兹去做更高频率的通信,带来的好处是带宽会更大,传输内容更多。

图 | 基于太赫兹扫描隧道显微镜的散射式扫描近场光学显微镜(来源:受访者)

此前科学家在科普太赫兹时,就曾表示一秒钟三部电影就可以传输完成。而目前太赫兹的目标是 100Gbps。

刘盛纲自 20 世纪 90 年代便开始在国内推广太赫兹技术。国际上最早有一个国际会议,叫红外毫米波太赫兹会议,迄今已有 47 年历史,由 MIT 已去世的教授巴顿创办,他也是首届上第一位用气体激光器实现太赫兹辐射的科学家。而刘盛纲 1979 年就开始参加这一会议。

20 世纪 90 年代,开始出现太赫兹的概念。自那时起,刘盛纲开始在国内推动太赫兹的应用,他也是国内最早倡导太赫兹的,他自己不愿意提 “太赫兹之父” 的名字,更愿意说自己是国内太赫兹的旗手和领军人物。

进入 2000 年以后,随着太赫兹的仪器设备慢慢成熟,太赫兹也开始逐渐发展起来。

2005 年,日本把兆兆亿太赫兹列为未来十年的十大技术之首。中国自此也开始真正重视太赫兹,并关注到刘盛纲很早就在推广。基于此,受国家委托刘盛纲主持当年的第 274 次香山科学会议,会议主题正是太赫兹,科技部、教育部和基金委的相关领导也出席了这次会议。

该会议是中国国家重大科学事件的会议,通常在北京香山饭店召开,每次会组织某一个领域的专家,讨论国家重大科研的发展和规划。

在那次会议上,中国认定太赫兹既是前沿科学领域,又是国家重大基础。此后,国内开始出现太赫兹的相关项目,最早是科技部的 973 项目,后来还有基金委的重大项目等。

2005 年以后,太赫兹也经历如下几个阶段:第一个是太赫兹的认知阶段,这时是利用太赫兹仪器来观测各种材料及物品的太赫兹基本特征;接下来是太赫兹发展阶段,微波与光学科学家把各自的器件推向太赫兹频段;在器件做出来以后,大家开始搭建相关系统。以成像系统为例,只要有一个源和探测器就可以成像。目前,太赫兹正处于从科学研究向产业化的迈进的阶段。

对生物医学领域的影响最大

在应用方面,太赫兹对生物医学的影响可能是最大的,因为很多大分子的转动振动能落在太赫兹频段。

图 | 太赫兹与其他学科的交叉融合(来源:受访者)

因此可用太赫兹去研究大分子,大分子包括蛋白质等,而蛋白质是人类生命密切相关的产物,很多疾病包括人的生命起源等和此相关。以前研究蛋白质时,使用整个太赫兹波去照的时候没法看到很小的东西,只能看到组织级别的响应。

图 | 太赫兹的生物学交叉融合(来源:受访者)

冷冻电镜是目前为止人类最高分辨率的配套设备,电子显微镜其实看不到样品的电磁响应。

举例来说,打上十个电子,利用阴极发射自由电子,然后打到样品上,这时观察样品对电子的响应,它可能弹回来三个,也可能弹回来五个,但是弹回来的样品电子大小不同,这时就需要对其进行成像。由于电子不一样,因此会在电子显微镜中呈现出不同的图像,在没有上色之前这张图基本是一个灰度图,而这便是样品电磁响应。

关于电磁波效应,最简单的是我们看到物体是有颜色的,假如花朵是红颜色的,这说明本身白光的太阳光照在花朵上,吸收了其他波段的光,最终让红光回到人眼,这时即可看到红花,而这正是物体在光频段上的电磁响应。

每个频段都有每个频段的响应,有些物体可能喜欢太赫兹。在大分子的转动、振动能级的太赫兹上面,这时用太赫兹去观察该物体,即可看到类似于颜色的特征。

图 | 太赫兹医学诊断(来源:受访者)

但是人眼想看到它,就要突破 1/2 波长的极限,这时就要用其他手段。因此,每个频段的观察都需要特殊的手段。而太赫兹和电子显微镜观测到的东西也并不相同。

比如,还有一些方法是看到的是力学性质,类似于去摸它时是软的或者是硬的,这就相当于力学的反馈。辨别物体是红色或是蓝色,则是光学响应。那么太赫兹响应是什么,这时也需要一款设备去观察它。但由于突破不了 1/2 极限,那就得设法攻克。

攻克太赫兹频段近场显微系统

关于太赫兹频段近场显微系统的诞生原因,胡旻表示,任何一个频率的电磁波成像都有不能突破衍射极限。因此需要一些相关技术来突破。

图 | 太赫兹扫描近场光学显微镜(来源:受访者)

以光为例,大家比较熟悉的可见光是赤橙黄绿青蓝紫,大概是几百纳米的波长,它对应的是不同频率,光的波长的是几百个纳米,但其极限只能看到 1/2 波长,大概就是 700 个纳米尺寸的物体。

再小一点的物体比如几十纳米的物体,光是看不到的。这时就要用各种其他办法来实现突破,太赫兹的波长非常大,从几百微米到几十微米这样的量级,100 微米大概是一根头发丝的长度,因此用太赫兹无法直接观察头发丝。

而近场技术是一种新型技术,它利用原子力显微镜,用一个几十纳米尺寸的细小针尖在样品表面进行扫描,然后通过一些方法让太赫兹也能看到几十纳米尺寸的物体,这便是胡旻研发的太赫兹频段近场显微系统。

图 | 近场实验装置图片(来源:受访者)

举例来说,原来用太赫兹波看的话,光斑可能有整个屋子这么大,但其实只想看到屋里桌子上的一个茶杯对太赫兹响应。原来办法是光斑照下来,从而得到整个屋子各种物品的综合信息。但现在通过一个非常细小的针尖在屋子里扫描,就可以看到茶杯的太赫兹响应。

有了这一技术,就可以看到单个蛋白质、单细胞、细菌乃至病毒这样的尺寸,即能看到单个样品对太赫兹的响应,所以在生物成像甚至成谱方面都非常有用。

图 | 团队成员(来源:受访者)

最近,在刘盛纲的指导下,胡旻和团队干了两件大事,先是攻克了太赫兹频段近场显微系统,后是把红外毫米波太赫兹国际会议首次引入中国西南,在线上成功举办。

回顾过往,2003 年,胡旻从浙江大学毕业,后续来到电子科技大学读研,自此胡旻就跟着刘盛纲学习,刘盛纲是胡旻的博导,并把后者送到MIT做了一年的博后研究 2012 年在 MIT 做博后时,胡旻师从巴顿的接班人理查德·坦金(Richard J. Temkin)教授。电子科大的太赫兹研究主要是以电子学为主,在该方面也是国内领先。胡旻认为目前太赫兹的应用主要有如下几方面:成像和安检、通信、生物医学、工业的无损检测。这几块很快将出现商业化产品,甚至可以做产业化。

极强的穿透性是太赫兹的特征之一,即使面对不透明物体,它也能完成透视成像。电子科大也有相关课题组,正在用太赫兹波对中草药进行定性定量研究。未来在临床上,太赫兹有望用于口腔疾病诊断。

目前,该实验室正在和四川大学华西医院合作开发太赫兹口腔脱矿检测仪器。届时,患者无须拔牙,使用太赫兹即可实现无损检测,检测领域包括早期龋齿、牙齿龋坏的深度等。

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