你可能从未听说过太赫兹波，但它可能会改变你的生活

电磁波谱上存在着工程师无法涉足的空白。

频谱涵盖了从无线电波和微波到我们眼睛能看到的光线、X射线和伽马射线等一切波段。人类已经掌握了发送和接收几乎所有这些波段的技术。

不过，也有例外。在可见光束和无线电静电信号之间，存在一个我们的技术无法发挥作用的盲区。它被称为太赫兹空隙。几十年来，没有人成功制造出能够传输太赫兹波的消费设备。

麻省理工学院电气工程师青胡 (Qing Hu) 表示：“潜在的应用有一长串的清单。”

但一些研究人员正在慢慢取得进展。如果他们能成功，他们可能会开辟出一整套全新的技术，比如 Wi-Fi 的继任者或更智能的皮肤癌检测系统。

太赫兹之谜

把太赫兹间隙看作一个边界。左侧是微波和较长的无线电波。右侧是红外光谱。（一些科学家甚至将太赫兹间隙称为“远红外”。）我们的眼睛看不到红外线，但就我们的技术而言，它就像光一样。

无线电波对于通信至关重要，尤其是电子设备之间的通信，这使得无线电波在当今的电子产品中无处不在。光为支撑互联网的光纤提供动力。这些技术领域通常以不同的波长为动力，在现代世界中很难共存。

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但这两个领域都难以进入太赫兹中立区。硅芯片等标准电子元件无法快速产生太赫兹波。激光等发光技术在红外线中非常常见，但无法与太赫兹波配合使用。更糟糕的是，太赫兹波在地球大气层中不会持续很长时间：空气中的水蒸气往往在几十英尺后就会吸收它们。

有几种太赫兹波长可以穿过水蒸气。天文学家已经建造了可以捕捉这些波段的望远镜，这些波段特别适合观察星际尘埃。为了发挥最佳作用，这些望远镜需要安放在地球上海拔最高、最干燥的地方，比如智利的阿塔卡马沙漠，或者完全在大气层之外的太空中。

太赫兹波段的其余部分则笼罩在迷雾之中。像胡这样的研究人员正在努力解决这个问题，但这并不容易。

工程太赫兹波

在利用太赫兹波方面，电子世界面临着一个根本问题。要进入这个缺口，我们电子产品中的硅芯片需要快速脉动——每秒数万亿次（因此称为太赫兹）。手机或电脑中的芯片可以以每秒数百万或数十亿次的频率完美运行，但它们很难达到数万亿次。高度实验性的太赫兹元件确实可以工作，但价格可能与一辆豪华轿车相当。工程师们正在努力降低价格。

另一个领域，即光的世界，长期以来，人们一直在寻求制造出像激光器这样的设备，以低成本产生特定频率的太赫兹波。早在 20 世纪 80 年代，研究人员就在讨论如何制造这种激光器。有些人认为这是不可能的。

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但麻省理工学院的胡却不这么认为。“我对如何制造激光器一无所知，”他说。尽管如此，制造这种激光器还是成为了他的追求。

1994 年，科学家发明了量子级联激光器，这种激光器特别适合制造红外光。胡和他的同事们所需要做的就是将激光发射到更长的远红外波段。

2002 年左右，他们成功制造出太赫兹量子级联激光器。但有一个问题：该系统需要大约 -343 华氏度的温度才能真正启动。它还需要液氮才能工作，这使得它很难在实验室或低温环境中使用。

在此后的二十年里，这一温度阈值一直在上升。胡实验室的最新激光器在较为温和的 8 华氏度下运行。这还不是室温，但温度足够高，激光器可以放在便携式冰箱里冷却，然后运出实验室。与此同时，2019 年，哈佛大学、麻省理工学院和美国陆军的一个团队发明了一种鞋盒大小的太赫兹激光器，可以改变分子气体。

在胡调整激光器的时间里，电子技术也取得了进展。芯片制造方式和芯片材料的进步推动了芯片运行速度越来越快。（2020 年，瑞士的一个研究小组制造的纳米等离子体芯片能够传输 600 毫瓦的太赫兹波，但同样，只能在实验室中实现。）虽然电气工程师希望看到更多进展，但设计太赫兹元件已不再是遥不可及的梦想。

麻省理工学院电气工程师韩若楠表示：“现在我们真的可以在芯片上制造非常复杂的系统了。所以我认为格局正在发生变化。”

加州大学圣巴巴拉分校太赫兹设施的物理学家马克·舍温说：“过去三十年，双方都取得了进展。这种技术仍然比较罕见，但我想说，它已经越来越普遍……也越来越容易了。”

在新技术不断炒作和失望的世界中，这种长达数十年的时间尺度很常见。对于工程师来说，太赫兹也不例外。

太赫兹技术的未来

目前，试图从两端进入太赫兹暗区的两个领域仍大体上处于分离状态。即便如此，它们仍为科学界在广泛学科领域赋予了新的能力。

其中一些功能可以加快通信速度。你的 Wi-Fi 依靠微波运行：太赫兹的频率比微波高，可以建立更好的连接，速度要快几个数量级。通过电线，它还可以在 USB 和光纤之间建立闪电般的连接。

太赫兹波也是检测物质的理想选择。“几乎每个分子在太赫兹频率范围内都有一个‘指纹’光谱，”Sherwin 说。这使得太赫兹波成为挑选爆炸物和药物分子等化学物质的最佳选择。天文学家已经利用这种能力来观察宇宙尘埃和天体的化学成分。在更接近地球的地方，Han 设想了一种太赫兹“电子鼻”，它甚至可以辨别空气中的气味。

这些太赫兹信号也使远红外线成为扫描人和物体的理想选择。太赫兹波可以穿透光无法穿透的物质，例如衣服，同时还能避免 X 射线等可能有害的电离辐射。安检人员已经对这项技术表现出了兴趣。

太赫兹波缺乏的一个扫描特性是它无法穿透水——无论是在空气中还是在人体中。但这对于医学来说并不是障碍。医生可以使用太赫兹设备来筛查 X 射线可能漏掉的皮肤癌细微迹象；或者神经科学家可以用它来扫描老鼠的大脑。

胡认为这项研究还处于早期阶段。“如果我们能够开发出能够真正看到某些东西并且不需要花很长时间扫描某个区域的工具，那么这确实可以吸引潜在的从业者来使用它，”他说。“这是一个开放式的问题。”

太赫兹波的大部分空白在研究人员的地图上仍是一片空白，这意味着使用令人垂涎的远红外波的设备还不普遍。

韩说：“研究人员确实没有太多机会去探索太赫兹波的优势。”因此，目前，间隙内更快、更灵敏的世界很大程度上仍停留在他们的想象之中。