美丽成电

　　编者按：2021年8月17日，《四川日报》第12版“科创未来”刊登题为《开垦电磁波的最后一片“处女地”》的文章，深入报道了被誉为“中国太赫兹之父”的刘盛纲院士在太赫兹研究领域的耕耘与收获，全文如下：

刘盛纲（右三）指导团队工作。 受访者供图

　　电子科技大学太赫兹科学技术四川省重点实验室内的国内首套太赫兹频段近场显微系统。 　四川日报全媒体记者 　徐莉莎 摄

　　8月9日，成都沙河河畔，中国科学院院士、87岁的“中国太赫兹之父”刘盛纲的家中，记者见到了这位泰斗级大咖。

作为红外毫米波-太赫兹领域“奥运”级别的学术盛会，第46届国际红外毫米波—太赫兹会议将于8月29日-9月3日在成都召开。受德尔塔毒株的影响，新冠疫情在国内零星“反扑”，活动只能转战线上。

“活动效果可能会受影响，但这是没办法的事，相信科学终将战胜病毒，每个科学人都要为之努力”，87岁的刘盛纲无奈说道。

三年前，他以84岁高龄带队到日本“申奥”，以两票的优势险胜澳大利亚，为中国赢得了这场顶级国际会议的主办权。继北京、上海和香港之后，成都成为会议在中国的第四站。它不仅让国际社会更加了解中国太赫兹科研实力。而支撑这场盛会落地成都的，就是刘盛纲及其带领的电子科技大学太赫兹科学技术四川省重点实验室。

这里有中国太赫兹研究的“旗手”

　　提到太赫兹，刘盛纲两眼放光，他和太赫兹的交集，已有31年。

　　太赫兹，是电磁波谱上最后的“处女地”。电磁波是电场和磁场的一种周期性的震动，跟其他的波一样，它也是可以携带能量的。电磁波在生活中随处可见，比如我们常用的手机通信就是利用微波，它也是电磁波谱中的一段，可见光也是电磁波。

　　在电磁波谱上，与太赫兹波段相邻的“两兄弟”，一个是遥控器用的红外线，另一个就是微波炉里的微波。

　　它比微波看东西更清楚；与可见光相比，又是“透视眼”；相较之X光，它更安全，不会破坏生物组织……具有传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好等诸多特性。在物理、化学、生物、电子、通信、航天、国防等方面蕴藏着巨大的应用前景，被称为“本世纪的又一场科技前沿革命”。

　　但是，因为太赫兹处于宏观物理经典理论向微观量子理论的过渡区，处于电子学向光子学的过渡区。频段上既不完全适合光学理论处理，也不完全适合微波理论研究，且不易得，在相当长的一段时间内，太赫兹技术成了一个几乎空白的技术领域。

　　上世纪90年代初，刘盛纲意识到，太赫兹将是新一代产业的科学技术基础，中国人要在这一“真空地带”有所建树，在世界科技竞赛中占据制高点和主动权。2001年，卸任电子科技大学校长后，刘盛纲亲自带着小团队，在国内最早开启了太赫兹研究。

　　说到这儿，刘盛纲从书房中拿出一本黄色封皮的小册子。这是2005年第270次香山科技会议的报告，这次会议是我国太赫兹研究发展的里程碑。当年，国内媒体报道了日本将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发，引起了国内学术界和国家部委的高度重视。受国家委托，在刘盛纲的组织下，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”。

　　在刘盛纲等10多位院士的倡导下，包括电子科大在内的国内多所大学和科研院所纷纷筹建起太赫兹研究中心（室），推动了国内对太赫兹的研究走向纵深。据统计，目前国内已有近百个研究团队，研究方向与世界同步，掀起了太赫兹研究的高潮。

　　学界和媒体把刘盛纲称为“中国太赫兹之父”，他却只愿意接受自己是中国太赫兹研究的“旗手、先驱”。

　　2006年，电子科技大学正式成立太赫兹研究中心；2010年底，太赫兹科学技术四川省重点实验室正式成立。如今，这里成为我国太赫兹科学技术的全部平台依托单位。

这里诞生太赫兹波产生的革命性思想

　　与刘盛纲家一河之隔，是电子科技大学沙河校区的逸夫楼。正是在这里，刘盛纲带领团队作出了国际学术界公认的原创性或奠基性成果，将电子科大在太赫兹领域的研究推向国际领先地位。

　　来到一楼的“太赫兹辐射源研究部”，这里科研仪器密布，价值数千万元。实验室正在筹备搬家，将迁往清水河校区，扩展面积。

　　实验室里，仪器发出嗡嗡的轰鸣声，实验还在进行。“这是超导磁场低温压缩机的声音。”电子科技大学教授、实验室副主任胡旻指向实验台上的回旋管，太赫兹波就从中产生。

　　巧妇难为无米之炊。高功率、高效率的太赫兹辐射源是太赫兹研究、应用的首要难题。而这正是该实验室攻克的重点之一。

　　来源就是这些看似普通输水管道的太赫兹回旋管。2011年，这里曾诞生过国内第一支太赫兹回旋振荡管。

　　胡旻透露，目前实验室研发的器件最高频率达到0.7THz，功率达千瓦级。这是太赫兹频段输出功率最高的器件。

　　0.14THZ的兆瓦级高功率输出也被用于中国“人造太阳”。可控核聚变需要上亿摄氏度的温度。这么高的能量从哪儿来？这些回旋管就是其加热装置。

　　高功率、高效率太赫兹辐射源的获得，源于诞生于此的“太赫兹波产生的革命性思想”。

　　产生太赫兹源的方法很多，我国在利用自由电子产生高频率电磁波上有一定基础。但机理上，当这些真空电子器件在太赫兹频段，又面临着尺度效应的限制。

　　胡旻举例，日常家用微波炉产生微波的器件是拳头大小的电子管，其输出频率是2.45GHz。如果要做2.45THz的器件，意味着其大小每个方向上都只有原来的千分之一，研发和加工难于上青天。

　　2012年，刘盛纲在世界顶尖物理期刊《物理评论快报》上发表论文，公开新发现，一种新型太赫兹辐射源横空出世。

　　他发现了一种新的物理现象，提出了电子学与光子学相结合的太赫兹辐射新理论，即利用自由电子激发表面等离子体激元产生切伦科夫辐射，获得英国《自然·物理》杂志的专版评论。

　　2014年，刘盛纲团队通过利用二维材料石墨烯的表面等离子体波，提出了覆盖整个太赫兹频段的新型辐射源。该结果突破了传统真空电子学理论框架，产生强太赫兹辐射；实现百瓦量级输出功率，比现有器件高3个量级。这大大推动了太赫兹发展，使国际太赫兹研究向前迈进了一大步。

我们离太赫兹应用还有多远？

　　和量子科技、石墨烯技术有着类似的遭遇。当太赫兹还处在实验室研究逐步向商业化转化的过程中，太赫兹床、太赫兹手链、太赫兹能量鞋、太赫兹理疗仪……就充斥着各类购物网站。

　　胡旻给母亲这样科普，“凡是你买得起的，都不是正经太赫兹产品。”太赫兹应用研发大多处于开发阶段，相关仪器设备动辄数十万元，还未进入大众消费市场。

　　但在学术界，太赫兹和许多领域结合诞生的成果，都是“头条”。2019年，天文学家用太赫兹探测器，“拍”到了酷似甜甜圈的黑洞。

　　除了基础研究和器件研发，这间实验室也致力于应用场景开发。“为了突破太赫兹衍射极限，我们做了很多工作。”胡旻介绍道。目前，基于原子力显微镜的太赫兹近场技术可以达到20nm的分辨率，“可以用太赫兹看到病毒、细菌。我们用自主研发的大功率源，实现比德国500万仪器更好的成像效果。”

　　该实验室利用太赫兹波驱动，研制太赫兹动态核极化-核磁共振（DNP-NMR）系统，将现有的核磁共振的分辨率提高两个量级，在物理、化学、材料、生物医学领域有广泛的应用。

　　太赫兹波有极强的穿透性，对不透明物体能完成透视成像。实验室有小组正用太赫兹波进行中草药的定性定量研究。

　　在口腔疾病诊断上，该实验室与四川大学华西医院合作，正开发太赫兹口腔脱矿检测仪器。无须拔牙，通过太赫兹无损检测，可检测早期龋齿及牙齿龋坏的深度。

　　最受关注的还有太赫兹通信领域。2011年，在刘盛纲的推动下，电子科技大学牵头的863计划主题项目“毫米波与太赫兹无线通信技术开发”正式启动，这是电子科技大学第一个上亿元的科研项目。

　　在该项目支持下，该实验室成功研制出我国首台基于光电结合的0.1太赫兹高速无线通信系统，通信速率达到10Gbps；研制出我国首台220GHz频段的基于全电子学的太赫兹高速无线通信系统。

　　当前，美国、欧盟、日本等都在加速发展面向6G的太赫兹通信技术。国际通信联盟已指定下一代地面无线通信的频段为0.12太赫兹至0.22太赫兹。有人认为，太赫兹技术将成为未来6G通信的基础，人类有望进入太赫兹通信时代。

　　但是，太赫兹也有先天的短板，它大气衰减严重，意味着如果使用太赫兹通信的话距离不可能太远。太赫兹通信可能会应用在短距离甚至超短距离通信上。

　　电子科大抗干扰实验室主任、电子科大太赫兹通信技术研究开创者李少谦教授表示，现阶段是6G潜在的、非常重要的备选技术之一，有可能用于6G地面大容量信息的传输。

　　太赫兹通信另一个可能的场景是太空环境中的通信——在太空中，太赫兹的传输损耗大大小于城市环境中，因此太空中卫星间使用太赫兹技术进行高数据率互联也是有不少人探索的领域。2020年11月，“电子科技大学号”卫星就曾搭载长征六号运载火箭升空，在太空开展太赫兹通信设备在卫星上的适应性试验。

　　记者和胡旻行走在校园中，一辆自行车从身边掠过。“这是我的博士生。”胡旻说，他刚刚攻克了首套国产化的太赫兹频段近场显微系统，利用太赫兹我们能看到更小的物体。

　　报道链接：https://epaper.scdaily.cn/shtml/scrb/20210817/260124.shtml