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。
学界和媒体常把刘盛纲称为“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,2017年,太赫兹技术教育部重点实验室获批。如今,这里已经建成了在太赫兹领域从基础研究到材料、器件、系统的完整研究平台。
基础研究路上弯道超车
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,在那里拥有更大的面积。
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”,胡旻指向试验台上的回旋管,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。
电子科技大学太赫兹科学技术四川省重点实验室内科研人员正在工作
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。这是用电子学方法产生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。
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
他举例,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(1GHz=109Hz)。如果要做2.45THz的器件,意味着其大小每个方向上都要小1000倍,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。
想象空间被打开
我们离太赫兹应用还有多远?