德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)首次成功地采用尺寸只有幾個(gè)納米的等離激元微型天線,，在芯片上生成頻率達(dá)10THz超短電脈沖，然后通過芯片運(yùn)行這些電脈沖,，并以一種可控的方式讀取它們,。

　　背景

　　傳統(tǒng)電子器件的頻率一般可達(dá)到100GHz左右。光電子器件采用起始于10THz的電磁波,。這一頻率范圍（100GHz ~ 10THz）的電磁波也被稱為“太赫茲波”,。

　　太赫茲波技術(shù)的用途卻非常廣泛，例如：射電天文學(xué),、醫(yī)學(xué),、通信、雷達(dá),、電子對(duì)抗,、電磁武器、無損檢測(cè),、軍事等諸多領(lǐng)域,。為了使大家能夠更直接地了解太赫茲技術(shù)的應(yīng)用，首先讓我們回顧一下筆者以往介紹過的兩個(gè)典型案例：

　　1）美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員利用太赫茲技術(shù),，對(duì)于一本合上的書中的書頁內(nèi)容進(jìn)行成像,。這樣一來，你無需翻開書本,，就可以閱讀其中的內(nèi)容,。

　　（圖片來源：Barmak Heshmat）

　　2）俄羅斯莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）的科學(xué)家與他們的德國(guó)和荷蘭同事一起研發(fā)出用太赫茲頻段的電磁脈沖切換計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)狀態(tài),，比磁感應(yīng)開關(guān)的速度快幾千倍,。

　　（圖片來源：莫斯科物理技術(shù)學(xué)院）

　　然而,，在太赫茲頻率范圍內(nèi)生成,、轉(zhuǎn)換、檢測(cè)信號(hào)的元件卻非常難以實(shí)現(xiàn),。

　　創(chuàng)新

　　近日,，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)首次成功地采用尺寸只有幾個(gè)納米的金屬天線，在芯片上生成超短電脈沖,，然后在表面之上幾毫米處運(yùn)行信號(hào),，并以一種可控的方式讀取它們。

　　相關(guān)實(shí)驗(yàn)得到了歐洲研究委員會(huì)（ERC）的“NanoREAL”項(xiàng)目和“慕尼黑納米系統(tǒng)創(chuàng)新集群”（NIM）的資助,。

　　如下圖所示：從泵浦激光器（左）發(fā)射出的飛秒脈沖產(chǎn)生出太赫茲頻率的片上電脈沖,。通過右邊的激光器，信息被再一次讀取,。

　?。▓D片來源：Christoph Hohmann / NIM, Holleitner / TUM）

　　TUM 的物理學(xué)家 Alexander Holleitner 和 Reinhard Kienberger 成功地采用等離激元微型天線,，生成頻率達(dá)10THz 的電脈沖,，并通過芯片運(yùn)行這些電脈沖,。研究人員之所以稱之為“等離激元”天線，是因?yàn)樗鼈兊男螤?。它們?cè)诮饘俦砻嫔显黾庸饩€強(qiáng)度,。

　　技術(shù)

　　天線的形狀很重要。它們是不對(duì)稱的：納米尺寸的金屬結(jié)構(gòu)的一側(cè)比另外一側(cè)更尖,。當(dāng)透鏡聚焦的激光脈沖激發(fā)天線時(shí),，天線在較尖的一側(cè)發(fā)射的電子比較平的另外一側(cè)更多。兩個(gè)接觸點(diǎn)之間會(huì)有電流產(chǎn)生,，但是只在天線被激光激發(fā)的情況下,。

　　如下圖所示：具有由藍(lán)寶石上的黃金制成的非對(duì)稱等離激元天線的芯片的電子顯微圖像。

　?。▓D片來源：A. Holleitner / TUM）

　　論文領(lǐng)導(dǎo)作者 Christoph Karnetzky 表示：“在光電效應(yīng)中,，光脈沖誘發(fā)電子從金屬進(jìn)入真空。所有的光照效果都是在較尖的一側(cè)更強(qiáng),，包括我們用于生成少量的電流的光電效應(yīng),。”

　　光脈沖僅僅持續(xù)幾飛秒（1飛秒只有1秒的一千萬億分之一）,，相應(yīng)地,，天線中的電脈沖也很短。從技術(shù)角度說,，這種結(jié)構(gòu)特別有趣,，是因?yàn)榧{米天線可被集成到尺寸僅為幾毫米的太赫茲電路中。

　　Karnetzky稱,，通過這種方式,，頻率為200THz 的飛秒激光脈沖能在芯片上的電路中生成頻率達(dá)10THz超短的太赫茲信號(hào)。

　　研究人員采用藍(lán)寶石作為芯片材料,，因?yàn)樗粫?huì)受到光學(xué)刺激,，因此不會(huì)產(chǎn)生干擾?？紤]到未來的實(shí)際應(yīng)用,，他們也采用了在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)光纖中應(yīng)用的波長(zhǎng)為1.5微米的激光。

　　Holleitner 及其同事還有另外一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：電脈沖和太赫茲脈沖都與激光器使用的激勵(lì)功率非線性相關(guān),。這表明,，天線中的光電效應(yīng)是由每個(gè)光脈沖中的多光子吸收觸發(fā)的。

　　價(jià)值

　　這項(xiàng)技術(shù)將促進(jìn)強(qiáng)大的新型太赫茲元件的開發(fā),。此外,，Alexander Holleitner 稱：“如此快速、非線性的片上脈沖之前一直不存在,?！彼Ｍ眠@一效應(yīng),，在天線中探索更快速的隧道發(fā)射效應(yīng)，并將它們應(yīng)用于芯片,。