中科院空天院大灣區(qū)研究院：持續(xù)開展太赫茲科學(xué)研究 全力打造中國太赫茲科學(xué)中心

文/喬流 拓曉瑞

[導(dǎo)語]

2019年5月，中國科學(xué)院空天信息研究院粵港澳大灣區(qū)研究院（以下簡稱“中科院空天院大灣區(qū)研究院”或“大灣區(qū)研究院”）在廣州市黃埔區(qū)正式成立。作為由廣州市人民政府、廣州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)管理委員會和中國科學(xué)院空天信息研究院三方共建的高水平創(chuàng)新研究院，中科院空天院大灣區(qū)研究院致力于太赫茲基礎(chǔ)理論研究，努力突破制約太赫茲科學(xué)技術(shù)發(fā)展的理論和技術(shù)瓶頸，形成一批引領(lǐng)國際的原創(chuàng)性理論方法和核心器件技術(shù)，搶占太赫茲科學(xué)發(fā)展的制高點，打造具有重要國際影響力的太赫茲科學(xué)技術(shù)高地，并形成太赫茲及相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈。

探究未知領(lǐng)域 科學(xué)認(rèn)識太赫茲

初中物理教科書中有這樣一句話：“我們生活在電磁波的海洋中”。這句話引發(fā)了人們無盡的暢想：收音機為什么能夠接收遠(yuǎn)處傳來的歌聲？手機為什么可以接收到千里之外親人打來的電話？科學(xué)家們又是通過什么方式遙控著人造衛(wèi)星翱翔太空？……這一切的奧秘，都離不開電磁波。

1865年，英國物理學(xué)家麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，但是他的預(yù)言在當(dāng)時并沒有得到認(rèn)可，直到23年后的1888年，德國物理學(xué)家赫茲通過電火花實驗產(chǎn)生并檢測到了電磁波，人們才把麥克斯韋的電磁理論推向主流。6年后，意大利科學(xué)家馬可尼認(rèn)為利用電磁波可以建立擺脫電線限制的無線電通信技術(shù)，他效仿赫茲的實驗，在家中成功制作了一套無線電鈴。1897年，馬可尼在倫敦成立馬可尼無線電報公司，將無線電通信帶入商用領(lǐng)域，并早于美國科學(xué)家特斯拉完成了無線電越洋通信的壯舉。此后，不斷有科學(xué)家在電磁波領(lǐng)域勇攀學(xué)術(shù)高峰，馬可尼、彭齊亞斯、拉曼、邁克爾遜、倫琴等科學(xué)家都因在電磁波領(lǐng)域作出突出貢獻而榮獲諾貝爾獎。每次人類學(xué)會利用一個新的波段，都會給當(dāng)時的生活和社會結(jié)構(gòu)帶來革命性的變化，推動電磁科學(xué)相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域?？梢赃@么說，人類一百多年來的科技進步，與人們對電磁波認(rèn)知的不斷深入，對電磁波利用的不斷成熟有著巨大的關(guān)聯(lián)。

人類是否已經(jīng)對全部電磁波頻段了如指掌呢？最早被人類利用的電磁波都是頻率較低的無線電波。實際上，電磁波是一個更為寬泛的概念，它們按照頻率的不斷升高可分為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽瑪射線等。目前，從準(zhǔn)直流到伽瑪射線（0Hz～1021Hz）之間的電磁波譜資源已幾乎全部被人類開發(fā)利用，唯有一處例外就是介于微波和紅外光之間的太赫茲波（0.1THz～10THz）。

雖然早在19世紀(jì)60年代，麥克斯韋就已經(jīng)指出可見光也是一種電磁波，但由于光與微波在產(chǎn)生方式、表現(xiàn)特性和應(yīng)用范圍上存在顯著的區(qū)別，學(xué)科上至今仍分為電子學(xué)和光子學(xué)。在電子學(xué)領(lǐng)域，人們通過精進微波元器件的尺度和工藝，將頻率不斷向更高范圍推進；在光學(xué)領(lǐng)域，雖然人們早已發(fā)現(xiàn)紅外光的存在，但是鮮有人探知比遠(yuǎn)紅外光波長更長的領(lǐng)域。近年來，隨著毫米波和遠(yuǎn)紅外技術(shù)的日趨成熟，人們利用常規(guī)微波技術(shù)和量子電子學(xué)方法，已能產(chǎn)生從微波到光的整個電磁頻譜的輻射功率，但是對介于它們之間的太赫茲波段的認(rèn)知卻依然有限，還不能獲得足夠用于實際系統(tǒng)的相干輻射功率，學(xué)術(shù)界將之稱為“THz Gap”，即所謂“太赫茲空隙”，它也是目前電磁頻譜中唯一待開發(fā)的頻譜資源。

太赫茲是目前唯一待開發(fā)的電磁波頻譜資源

發(fā)掘太赫茲優(yōu)勢 培育多元應(yīng)用場景

雖然太赫茲波尚未被開發(fā)利用，但是科學(xué)家們已經(jīng)能夠預(yù)見到太赫茲波的諸多優(yōu)勢，認(rèn)為其在信息通信、測量觀測、雷達(dá)成像等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

在通信領(lǐng)域，5G通信技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前全球炙手可熱的先進領(lǐng)域，它的載波頻段已經(jīng)達(dá)到最高52GHz，可以實現(xiàn)超高的組網(wǎng)容量和超低的時延，推動遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動駕駛、工業(yè)控制等新興領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，給人們的生活帶來極大的便利。但是，5G并不是通信技術(shù)的終點，后面還會有6G、7G等更加先進的技術(shù)，它們的載波頻率將更高、帶寬與通信容量會更大，對人類生產(chǎn)和生活帶來的影響更加深遠(yuǎn)。從6G技術(shù)開始，載波頻段將踏入太赫茲的范圍，來到1THz左右。

太赫茲波還有一些不同于其他波段的獨特優(yōu)勢?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，太赫茲波的波段能夠覆蓋半導(dǎo)體、等離子體、有機體和生物大分子等物質(zhì)的特征譜，特別是許多生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動頻率都處于THz波段，因此在這些領(lǐng)域的科學(xué)研究中，常使用太赫茲波作為探測源對目標(biāo)進行研究。如：2014年，英國科學(xué)家首次使用太赫茲觀測到蛋白質(zhì)的活體折疊，證明了蛋白質(zhì)可以在離體的情況下長時間存活；2015年，德國科學(xué)家利用太赫茲時域波譜技術(shù)，首次直接測量到真空量子漲落。太赫茲成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的作用潛力巨大，試想人們?nèi)绻芡ㄟ^太赫茲觀測人體細(xì)胞病變，從而早早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生癌變的組織，再進行有針對性的治療，癌癥就不會再成為可怕的絕癥?？傊掌澕夹g(shù)可以進一步加深和拓展人類對物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、信息學(xué)和生命科學(xué)中一些基本科學(xué)問題的認(rèn)識，從而對各學(xué)科的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

在雷達(dá)成像領(lǐng)域，太赫茲波的時域頻譜信噪比很高，成像效果相對于其他微波頻段要清晰得多；太赫茲波具備很強的穿透性，可以輕松穿透物體表面覆蓋物探照到目標(biāo)；太赫茲波相對于X光等其他波段來說光子能量低、安全性好，不會影響被測物體，可以做到無損探測。這些諸多優(yōu)勢使太赫茲非常適用于成像應(yīng)用。

盡管國內(nèi)外在太赫茲科學(xué)及其交叉應(yīng)用領(lǐng)域已取得一系列的研究成果，部分應(yīng)用系統(tǒng)也逐步從演示驗證向商業(yè)化方向邁進，但當(dāng)前太赫茲科學(xué)及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展依舊嚴(yán)重受制于高功率信號產(chǎn)生和高靈敏信號檢測技術(shù)?，F(xiàn)有產(chǎn)生和探測太赫茲信號的手段主要包括兩類技術(shù)：一是微波（電子學(xué)）方法向高頻率推進，主要包括真空電子學(xué)器件技術(shù)、固態(tài)半導(dǎo)體器件技術(shù)等；二是光學(xué)（光子學(xué)）方法向低頻率發(fā)展，主要包括量子級聯(lián)激光器等。無論是采用電子學(xué)方法還是光學(xué)方法，在向太赫茲波段推進時都遇到了諸如尺度效應(yīng)、載流子遷移率低以及能級差不匹配等瓶頸問題，亟需發(fā)展新原理和新方法突破相關(guān)問題。因此，加強太赫茲基礎(chǔ)科學(xué)研究，勢在必行！

中科院空天院大灣區(qū)研究院建設(shè)規(guī)劃圖

搶占技術(shù)制高點 掌握競爭主動權(quán)

目前，美國、日本、歐盟等全球主要發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都非常重視太赫茲科學(xué)研究，制定出臺相關(guān)政策措施大力支持太赫茲技術(shù)的研發(fā)。2004年，美國政府將太赫茲科技評為改變未來世界的十大技術(shù)之一，歐盟則將其列為改變未來世界的六大科學(xué)技術(shù)之一。日本于2005年1月將太赫茲技術(shù)列為國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標(biāo)之首，舉全國之力進行研發(fā)。我國于2005年11月專門召開“香山科技會議”，邀請國內(nèi)多位在太赫茲研究領(lǐng)域有影響的院士專門討論我國太赫茲事業(yè)的發(fā)展，并制定了我國太赫茲技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。“十三五”期間，我國把太赫茲技術(shù)列為國防三大顛覆類技術(shù)，認(rèn)為誰掌握了太赫茲技術(shù)，誰就將占據(jù)未來軍事制高點。為推動太赫茲器件的持續(xù)發(fā)展以及太赫茲技術(shù)的應(yīng)用，包括軍委科技委、軍委裝備發(fā)展部、國家自然科學(xué)基金委和科技部等部門都制定了長期發(fā)展規(guī)劃或重大研究計劃，持續(xù)推動太赫茲技術(shù)在成像探測、空間大容量通信等領(lǐng)域的應(yīng)用；軍委裝備發(fā)展部在共性技術(shù)和預(yù)研基金等領(lǐng)域都部署了一系列太赫茲領(lǐng)域研究計劃，包括太赫茲隱蔽目標(biāo)探測技術(shù)、太赫茲近場探測技術(shù)、太赫茲波段目標(biāo)特性控制材料和太赫茲時域光譜特性測量與建模技術(shù)等，推動太赫茲技術(shù)的全面發(fā)展；科技部則按照《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020）》有關(guān)部署，將太赫茲科學(xué)技術(shù)作為變革性關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題列入了國家重點研發(fā)計劃。

在太赫茲前沿學(xué)術(shù)領(lǐng)域，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所一直處于全國領(lǐng)先地位，早在2008年前后就開始了相關(guān)研究，并在太赫茲輻射機理、自由電子激發(fā)、激元太赫茲表征、太赫茲開放式慢波結(jié)構(gòu)以及量子點探測器等核心問題研究方面取得重大進展。他們研究發(fā)現(xiàn)，在太赫茲光子能量尺度下活躍著一系列特有激元，即準(zhǔn)粒子和光子相互作用后形成的元激發(fā)，包括聲子、激子、庫伯對、磁子等，要想有效地操控和利用這些激元，需要從理論上對其特性進行系統(tǒng)描述，僅依靠經(jīng)典電磁理論或量子理論都不能夠描述這些激元的特性，因此，亟須發(fā)展一種新的理論框架來指導(dǎo)這一研究。

落戶粵港澳大灣區(qū) 打造中國太赫茲科學(xué)中心

2019年3月8日，中國科學(xué)院空天信息研究院決定成立中國科學(xué)院空天信息研究院粵港澳大灣區(qū)研究院，發(fā)揮優(yōu)勢創(chuàng)新資源，集中精力打造太赫茲創(chuàng)新前沿科學(xué)平臺，發(fā)展太赫茲科學(xué)理論，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，形成完整的從基礎(chǔ)理論到核心器件，再到系統(tǒng)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈條。2019年7月8日，中國科學(xué)院空天信息研究院與廣州市人民政府、廣州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)管理委員會簽署三方共建合作協(xié)議，三方各投資4億元在廣州市黃埔區(qū)建設(shè)中國科學(xué)院空天信息研究院粵港澳大灣區(qū)研究院。同年9月25日，吳一戎院士領(lǐng)銜的基礎(chǔ)科學(xué)中心項目“太赫茲科學(xué)技術(shù)前沿”獲批立項，獲得國家自然科學(xué)基金委約1億元的項目經(jīng)費支持。2020年4月16日，中科院空天院大灣區(qū)研究院以自有經(jīng)費，與廣州市規(guī)劃和自然資源局簽署合同，受讓位于黃埔區(qū)護林路以北、豐樂北路以西的80000余平方米土地用于研究院建設(shè)。

中科院空天院大灣區(qū)研究院的核心任務(wù)，就是聚焦發(fā)展創(chuàng)建太赫茲量子電磁學(xué)理論體系，突破人類利用太赫茲頻譜資源的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)瓶頸，形成一批引領(lǐng)國際的原創(chuàng)性理論方法和核心器件技術(shù)，強有力地推動現(xiàn)代物理學(xué)、材料科學(xué)、空間科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展。同時，圍繞太赫茲在雷達(dá)遙感領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略需求和生物醫(yī)學(xué)等交叉學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)前沿，為太赫茲雷達(dá)技術(shù)研究和相關(guān)交叉學(xué)科的發(fā)展提供強有力的技術(shù)保障。

中科院空天院大灣區(qū)研究院新職工入職培訓(xùn)合影

目前，大灣區(qū)研究院整體的建設(shè)規(guī)劃以及詳細(xì)的實驗室布局規(guī)劃已經(jīng)完成，各項建設(shè)工作正在有序推進。為保證相關(guān)研究工作的順利進行，大灣區(qū)研究院在廣州市開發(fā)區(qū)科技企業(yè)加速器園區(qū)內(nèi)租用了臨時辦公實驗場所，目前前期的設(shè)備采購、平臺建設(shè)以及相關(guān)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究工作已經(jīng)在逐步開展，并已成功搭建了3個太赫茲光學(xué)實驗系統(tǒng)：雙色場太赫茲系統(tǒng)、太赫茲掃描近場光學(xué)顯微鏡（SNOM）系統(tǒng)以及基于近場探針的太赫茲系統(tǒng)。為加快科研進度，大灣區(qū)研究院與暨南大學(xué)簽署聯(lián)合實驗室協(xié)議，將太赫茲量子級聯(lián)激光器系統(tǒng)的搭建研發(fā)場地暫設(shè)于暨南大學(xué)番禺校區(qū)。截至2021年5月，大灣區(qū)研究院共承擔(dān)各類在研課題15項，總經(jīng)費3.16億元，其中包括太赫茲超分辨率成像在內(nèi)的2項廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目、超快太赫茲基礎(chǔ)科學(xué)研究平臺在內(nèi)的5項自主部署科研平臺建設(shè)課題，以及新型材料太赫茲量子效應(yīng)研究在內(nèi)的4項自主部署科研課題等。

大灣區(qū)研究院高度重視人才隊伍建設(shè)，通過各種途徑廣泛招納高層次科研人才，特別是以中國科學(xué)院“中科百人”青年項目為依托，大力引進海外太赫茲領(lǐng)域的青年專家，為其提供配套科研專項，并協(xié)助組建相應(yīng)項目團隊。目前，大灣區(qū)研究院已引進全職科研人員80余人，其中包括5位頂尖青年科學(xué)家，他們主要來自太赫茲超快動力學(xué)、太赫茲天饋技術(shù)、太赫茲量子、太赫茲強場科學(xué)等領(lǐng)域的國際頂尖科研院所，他們的加入為大灣區(qū)研究院注入了強勁動力。未來，大灣區(qū)研究院將繼續(xù)加強海外高層次人才引進工作，繼續(xù)與其他6位有意向加盟的青年專家進行溝通交流，依托長江優(yōu)青、基金委海外優(yōu)青等人才支持政策，不斷引進更多太赫茲領(lǐng)域的海外優(yōu)秀高層次人才，打造太赫茲研究人才高地。

引領(lǐng)國際學(xué)術(shù)潮流 推動太赫茲產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

國家對太赫茲科學(xué)研究高度重視，將其列入“十四五”規(guī)劃重點發(fā)展科研方向。大灣區(qū)研究院作為我國從事太赫茲領(lǐng)域研究的專業(yè)科研機構(gòu)，肩負(fù)著開展太赫茲理論研究、突破關(guān)鍵核心技術(shù)、推動產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的光榮使命，理應(yīng)在太赫茲理論研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面走在全國乃至全球前列?？上驳氖?，大灣區(qū)研究院在國家和地方政府部門的堅強領(lǐng)導(dǎo)和大力支持下，各項工作均順利開展，并取得一些階段性工作成效，如大灣區(qū)研究院獲得了國家發(fā)改委“十四五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目支持。根據(jù)建設(shè)規(guī)劃，大灣區(qū)研究院在“十四五”期間將繼續(xù)建設(shè)6個科研中心，包括基礎(chǔ)研究中心、核心器件研發(fā)中心、雷達(dá)遙感研究中心、生物醫(yī)學(xué)研究中心、通信技術(shù)研究中心和成果孵化與產(chǎn)業(yè)化中心，通過開展研發(fā)活動，逐步推進太赫茲產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

按照大灣區(qū)研究院發(fā)展規(guī)劃和目標(biāo)定位，在不久的將來，將發(fā)展成為引領(lǐng)國際太赫茲科學(xué)發(fā)展的學(xué)術(shù)高地和科技創(chuàng)新中心。這一目標(biāo)也與我國“十四五”規(guī)劃綱要的重要發(fā)展任務(wù)之一——積極穩(wěn)妥推進粵港澳大灣區(qū)建設(shè)，建設(shè)具有全球影響力的綜合性國際科技創(chuàng)新中心的整體目標(biāo)完美契合。在粵港澳大灣區(qū)得天獨厚的區(qū)位優(yōu)勢以及中國科學(xué)院空天信息研究院深厚的基礎(chǔ)科研實力的加持下，大灣區(qū)研究院定將蓬勃發(fā)展，取得佳績！