太赫兹波：借一双“慧眼”改变未来

  近日，韩国蔚山国立科技大学与美国田纳西大学等研究团队合作开发出一种新技术，可将太赫兹电磁波放大3万倍以上，这一突破有望为6G通信带来变革。太赫兹波以其独特的属性被评为改变未来世界的十大技术之一。太赫兹波是如何被发现的？作为人类认识世界的“第三只眼睛”，它有哪些应用场景？未来还将如何改变世界？

  说起电磁波，大家并不陌生。它就像空气一样，时刻存在于我们的生活中。比如，微波炉加热食物用的是微波；去医院做胸透检查时用的是X射线；我们打电话、发微信等通信方式，依靠的是无线电。

  而与微波、X射线、无线电等相比，太赫兹波是人类迄今为止了解较少、开发较少的一个波段。太赫兹波也是一种电磁波，它的频谱范围在0.1—10太赫兹（THz），介于微波和红外线毫米。

  它很神秘，直到20世纪七八十年代才有自己的名字。在此之前，在光学领域，它被称为远红外线；在电子学领域，称之为亚毫米波或超微波。

  1800年，英国科学家赫歇尔在三棱镜分光实验中发现了一种不可见却能带来热量的光，但受限于当时的认知，他将这部分看不见的光归属红外光。1881年，美国科学家兰利研制出了一种测热辐射计，使得探测太赫兹波成为可能。近一个世纪后，直到1974年，“太赫兹”这个名称在科学家弗莱明的文章发表后，才逐渐被接受与使用。

  太赫兹波最终浮出水面变成全球各国争相研究的新技术，得益于天文学家的发现。20世纪70年代，空间科学家将它运用到陆基射电望远镜上，以此研究星际介质和行星大气的化学成分等。如果说当时太赫兹技术是用来遥望星辰大海的，它本身何尝不是被遥望的“星辰大海”。

  2019年，科学家首次观测到的黑洞，就是在太赫兹天文望远镜下观测到的。首张黑洞照片如同放大版的“甜甜圈”，让人惊叹不已。

  太赫兹波能“看透”许多东西，科学家对它的研究已有100多年。近年来，随着科学技术手段的提高，太赫兹波在安检、通信、生物诊断等方面存在广泛的应用前景。

  由于太赫兹波能像X射线一样轻易穿透纸张、衣服、塑料、木制品等材料，还不会带来电离辐射的健康隐患，就连人体衣物内藏匿的液体、粉末、炸药乃至体积较小的打火机都被它探测出来。可以说，太赫兹波是安检界的“天选之子”。

  如今，太赫兹安检仪就在上海地铁2号线等投入到正常的使用中。乘客接受安检时，无需与任何人产生接触，只需正常步行通过安检通道，还可同时完成测温工作。乘客是否携带违禁品、是否发烧等信息都显示在屏幕上。

  在生物医学领域，太赫兹波是很好的“鉴别师”。由于它易被极性分子吸收，光子能量较X射线低很多，对绝大部分的生物细胞无电离伤害，适合对活体生物或组织进行实时检查。

  它可以用来区分人体的一些病变细胞和健康组织，为皮肤癌、乳腺癌、烧伤组织诊断等提供判别依据。如今研制的太赫兹成像装置可在癌症早期就做出诊断，不需要切片检测，为一些癌症的早期无痛检测带来曙光。

  随着移动通信技术的加快速度进行发展，数据的传输速率慢慢的升高。从通信1G到现在的5G，数据传输速率提高了几千倍。那么，无线电磁波的频率也在逐步的提升。而太赫兹波的频率比目前使用的微波要高几个数量级，具有传输容量大、安全性高、穿透性好等优势，这是微波无法达到的高度。

  因此，太赫兹技术在全息通信、微小尺寸通信、超大容量数据回传、短距超高速传输等场景中有望得到应用。当前，中国、美国、日本以及欧盟等国家都在加速发展面向6G的太赫兹通信技术。可以说，它已经慢慢的变成为新一代无线通信产业高质量发展的重要方向。

  此外，太赫兹技术在军事、天文、食品检测等方面也有良好的应用前景。甚至有科学家拿它检测地沟油、蔬菜和水果中的残留农药，奶粉中的三聚氰胺等，为食品安全保驾护航。

  目前，世界各国都对太赫兹技术倾注了极大热情，持续部署相关战略项目。美国国家科学基金会、航空航天局、国防高级研究计划局，英国宇航署，法国国家研究总署，德国研究联合会，日本科学振兴机构等都开展了多项关于太赫兹技术的研究。

  中国对太赫兹战略的研究启动是从2005年开始的，由20多位院士参加的第270次香山会议上，专门研讨了我国太赫兹科学技术的发展问题。5年后，中国电科集团第38所启动了中国太赫兹安检研发和产业化项目。目前，中国对此技术和应用持续进行自主创新研发。

  科学家预测，太赫兹技术将成为物联网时代的“火眼金睛”。当下，它带给我们最大的期待体现在通信方面的应用。

  2019年10月，全球首份6G白皮书发布，将太赫兹技术作为通信解决方案的突破口。如果说5G时代是实现更快、更高网络容量的通信，6G时代的目标就是实现万物互联。仅从流畅度、传输速度等方面来看，6G有望达到5G的数十倍甚至百倍。

  6G的应用场景除了无线接入、光纤替代等，还能轻松实现星间通信、空天地一体化通信、微小尺度通信、万物互联等。其中，空天地一体化通信是6G重要的愿景，未来用户只需携带一部终端，便能实现全球无缝漫游和无感知切换。

  中国科学院院士姚建铨是太赫兹技术领域的先驱者之一。他认为，6G时代的网络能力将呈现指数级的增强，全球主要经济体围绕太赫兹技术的竞争慢慢的开始。在国内产业链各方的一同推动下，我国太赫兹技术的研究水平逐渐提高，解决基础问题的同时，器件、装置、系统逐步建立，为真正的系统应用准备好，充分迎接万物互联的“太赫兹时代”。

  如今，太赫兹技术和普通老百姓有何关联吗？正因为它的神奇之处，它成为“高大上”的代名词。有必要注意一下的是，不少网购平台出现了以太赫兹为名的高科技保健品。中科院物理所等院所的科学家提醒公众莫上当，目前，太赫兹波还并未走入寻常百姓家。

  许多网购商品打着保健、治疗的旗帜，宣扬太赫兹的作用。比如“太赫兹能量鞋”，售价上千元，宣称运用先进的太赫兹技术，具有打通人体微循环、激活细胞等功效，可治疗脑梗、偏瘫等多种疾病。还有针对年轻市场的正能量手链，宣扬纤体、养生等功效，也是无稽之谈。

  专家表示，国内对于太赫兹技术的研究仅停留在探索阶段，还未出现大规模的产业投入。而且产生低能量的太赫兹波成本就需几十万元，而高能量的成本更达数千万元以上。

  对于“太赫兹”的世界，我们不难发现得仍然太少，但科学家预计，在未来的十年、二十年里，它终将成为最核心的技术，改变我们的生活。