纳米级设备产生可以穿透墙壁的高功率太赫兹波

时间：2021-09-26 15:52:10 来源：

纳米级太赫兹波发生器可以在柔性基板上实现。

EPFL的研究人员已经开发出一种纳米设备，其运行速度比当今最快的晶体管快10倍以上，比计算机上的晶体管快100倍左右。

这种新设备可以产生大功率太赫兹波。众所周知，这些波很难产生，在从成像和传感到高速无线通信的各种应用中很有用。这些设备的大功率皮秒操作对某些先进的医学治疗技术（例如癌症治疗）也具有巨大的希望。该团队的先驱紧凑型资源于2020年3月25日在《自然》杂志上进行了描述，为无数新应用铺平了道路。

太赫兹（THz）波落入电磁频谱中的微波和红外辐射之间，并以每秒1000亿至30万亿个周期的频率振荡。这些波浪因其独特的性能而倍受珍视：它们可以穿透纸张，衣服，木头和墙壁，并检测空气污染。太赫兹源可以彻底改变安全和医学成像系统。更重要的是，他们能够携带大量数据的能力可能成为实现更快无线通信的关键。

太赫兹波是一种非电离辐射，这意味着它们不会对人体健康构成威胁。该技术已在某些机场中用于扫描旅客并检测危险物体和物质。

尽管抱有很大希望，但太赫兹波并未广泛使用，因为它们昂贵且产生麻烦。但是，EPFL研究人员开发的新技术可能会改变所有这一切。由Elison Matioli教授领导的功率和宽带隙电子研究实验室（POWERlab）, 的团队构建了一种纳米设备（1纳米= 1百万分之一毫米），可以在几皮秒内产生极高功率的信号。，即一万亿分之一秒，它会产生高功率的太赫兹波。

该技术可以安装在芯片或柔性介质上，有一天可以安装在智能手机和其他手持设备中。由POWERlab的博士学位学生Mohammad Samizadeh Nikoo最初撰写的作品已发表在《自然》杂志上。

怎么运行的

紧凑，便宜，全电的纳米器件几乎立即就可以从微小的源头产生高强度的波。它通过产生强大的“火花”来工作，其电压在10微秒的范围内从10 V（或更低）到100 V峰值。该设备能够几乎连续产生这种火花，这意味着它每秒可以发出多达5000万个信号。连接到天线后，该系统可以产生并辐射大功率太赫兹波。

该设备由两块非常靠近的金属板组成，相隔的距离最短为20纳米。施加电压后，电子会朝其中一个板涌动，在此形成纳米等离子体。一旦电压达到某个阈值，电子几乎立即发射到第二个极板。通过这种快速开关实现的这种快速移动产生了产生高频波的高强度脉冲。

传统的电子设备只能以最高每皮秒1伏的速度进行切换-太慢而无法产生大功率太赫兹波。

新型纳米器件的速度可以提高十倍以上，可以同时产生高能脉冲和高频脉冲。“通常，两个变量都无法获得很高的价值，” Matioli说。高频半导体器件的尺寸为纳米级。他们只能承受几伏特的电压才能爆发。同时，大功率设备太大而又太慢，无法产生太赫兹波。我们的解决方案是使用最新的纳米级制造技术来重现等离子体的旧领域，从而提出一种新的设备来克服这些限制。

根据Matioli的说法，新设备将所有变量推到了极致：“高频，大功率和纳米级不是您通常在同一句话中听到的术语。”

这些纳米器件一方面带来了极高的简便性和低成本，另一方面却表现出了出色的性能。此外，它们可以与其他电子设备（例如晶体管）集成在一起。考虑到这些独特的特性，纳米等离子体可以为超快电子学领域塑造一个不同的未来， Samizadeh说。

除了产生太赫兹波，该技术还可以广泛应用。Matioli补充说：“我们非常肯定还会有更多创新应用程序。”

参考：Mohammad Samizadeh Nikoo，Armin Jafari，Nirmana Perera，Minghua Zhu，Giovanni Santoruvo和Elison Matioli撰写的“用于超快电子的启用纳秒体的皮秒开关”，自然界，2020年3月25日，DOI：
10.1038 / s41586-020-2118-y

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