中科院空天院大湾区研究院：持续开展太赫兹科学研究 全力打造中国太赫兹科学中心

文/乔流 拓晓瑞

[导语]

2019年5月，中国科学院空天信息研究院粤港澳大湾区研究院（以下简称“中科院空天院大湾区研究院”或“大湾区研究院”）在广州市黄埔区正式成立。作为由广州市人民政府、广州高新技术产业开发区管理委员会和中国科学院空天信息研究院三方共建的高水平创新研究院，中科院空天院大湾区研究院致力于太赫兹基础理论研究，努力突破制约太赫兹科学技术发展的理论和技术瓶颈，形成一批引领国际的原创性理论方法和核心器件技术，抢占太赫兹科学发展的制高点，打造具有重要国际影响力的太赫兹科学技术高地，并形成太赫兹及相关技术产品创新链和产业链。

探究未知领域 科学认识太赫兹

初中物理教科书中有这样一句话：“我们生活在电磁波的海洋中”。这句话引发了人们无尽的畅想：收音机为什么能够接收远处传来的歌声？手机为什么可以接收到千里之外亲人打来的电话？科学家们又是通过什么方式遥控着人造卫星翱翔太空？……这一切的奥秘，都离不开电磁波。

1865年，英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，但是他的预言在当时并没有得到认可，直到23年后的1888年，德国物理学家赫兹通过电火花实验产生并检测到了电磁波，人们才把麦克斯韦的电磁理论推向主流。6年后，意大利科学家马可尼认为利用电磁波可以建立摆脱电线限制的无线电通信技术，他效仿赫兹的实验，在家中成功制作了一套无线电铃。1897年，马可尼在伦敦成立马可尼无线电报公司，将无线电通信带入商用领域，并早于美国科学家特斯拉完成了无线电越洋通信的壮举。此后，不断有科学家在电磁波领域勇攀学术高峰，马可尼、彭齐亚斯、拉曼、迈克尔逊、伦琴等科学家都因在电磁波领域作出突出贡献而荣获诺贝尔奖。每次人类学会利用一个新的波段，都会给当时的生活和社会结构带来革命性的变化，推动电磁科学相关技术及产品被广泛应用到生产和生活的各个领域。可以这么说，人类一百多年来的科技进步，与人们对电磁波认知的不断深入，对电磁波利用的不断成熟有着巨大的关联。

人类是否已经对全部电磁波频段了如指掌呢？最早被人类利用的电磁波都是频率较低的无线电波。实际上，电磁波是一个更为宽泛的概念，它们按照频率的不断升高可分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线等。目前，从准直流到伽玛射线（0Hz～1021Hz）之间的电磁波谱资源已几乎全部被人类开发利用，唯有一处例外就是介于微波和红外光之间的太赫兹波（0.1THz～10THz）。

虽然早在19世纪60年代，麦克斯韦就已经指出可见光也是一种电磁波，但由于光与微波在产生方式、表现特性和应用范围上存在显著的区别，学科上至今仍分为电子学和光子学。在电子学领域，人们通过精进微波元器件的尺度和工艺，将频率不断向更高范围推进；在光学领域，虽然人们早已发现红外光的存在，但是鲜有人探知比远红外光波长更长的领域。近年来，随着毫米波和远红外技术的日趋成熟，人们利用常规微波技术和量子电子学方法，已能产生从微波到光的整个电磁频谱的辐射功率，但是对介于它们之间的太赫兹波段的认知却依然有限，还不能获得足够用于实际系统的相干辐射功率，学术界将之称为“THz Gap”，即所谓“太赫兹空隙”，它也是目前电磁频谱中唯一待开发的频谱资源。

太赫兹是目前唯一待开发的电磁波频谱资源

发掘太赫兹优势 培育多元应用场景

虽然太赫兹波尚未被开发利用，但是科学家们已经能够预见到太赫兹波的诸多优势，认为其在信息通信、测量观测、雷达成像等领域具有广泛的应用前景。

在通信领域，5G通信技术已经成为当前全球炙手可热的先进领域，它的载波频段已经达到最高52GHz，可以实现超高的组网容量和超低的时延，推动远程医疗、自动驾驶、工业控制等新兴领域蓬勃发展，给人们的生活带来极大的便利。但是，5G并不是通信技术的终点，后面还会有6G、7G等更加先进的技术，它们的载波频率将更高、带宽与通信容量会更大，对人类生产和生活带来的影响更加深远。从6G技术开始，载波频段将踏入太赫兹的范围，来到1THz左右。

太赫兹波还有一些不同于其他波段的独特优势。科学家发现，太赫兹波的波段能够覆盖半导体、等离子体、有机体和生物大分子等物质的特征谱，特别是许多生物大分子的振动和转动频率都处于THz波段，因此在这些领域的科学研究中，常使用太赫兹波作为探测源对目标进行研究。如：2014年，英国科学家首次使用太赫兹观测到蛋白质的活体折叠，证明了蛋白质可以在离体的情况下长时间存活；2015年，德国科学家利用太赫兹时域波谱技术，首次直接测量到真空量子涨落。太赫兹成像技术在生物医学领域的作用潜力巨大，试想人们如果能通过太赫兹观测人体细胞病变，从而早早发现产生癌变的组织，再进行有针对性的治疗，癌症就不会再成为可怕的绝症。总之，太赫兹技术可以进一步加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识，从而对各学科的发展产生深远影响。

在雷达成像领域，太赫兹波的时域频谱信噪比很高，成像效果相对于其他微波频段要清晰得多；太赫兹波具备很强的穿透性，可以轻松穿透物体表面覆盖物探照到目标；太赫兹波相对于X光等其他波段来说光子能量低、安全性好，不会影响被测物体，可以做到无损探测。这些诸多优势使太赫兹非常适用于成像应用。

尽管国内外在太赫兹科学及其交叉应用领域已取得一系列的研究成果，部分应用系统也逐步从演示验证向商业化方向迈进，但当前太赫兹科学及其应用技术的发展依旧严重受制于高功率信号产生和高灵敏信号检测技术。现有产生和探测太赫兹信号的手段主要包括两类技术：一是微波（电子学）方法向高频率推进，主要包括真空电子学器件技术、固态半导体器件技术等；二是光学（光子学）方法向低频率发展，主要包括量子级联激光器等。无论是采用电子学方法还是光学方法，在向太赫兹波段推进时都遇到了诸如尺度效应、载流子迁移率低以及能级差不匹配等瓶颈问题，亟需发展新原理和新方法突破相关问题。因此，加强太赫兹基础科学研究，势在必行！

中科院空天院大湾区研究院建设规划图

抢占技术制高点 掌握竞争主动权

目前，美国、日本、欧盟等全球主要发达国家和地区都非常重视太赫兹科学研究，制定出台相关政策措施大力支持太赫兹技术的研发。2004年，美国政府将太赫兹科技评为改变未来世界的十大技术之一，欧盟则将其列为改变未来世界的六大科学技术之一。日本于2005年1月将太赫兹技术列为国家支柱十大重点战略目标之首，举全国之力进行研发。我国于2005年11月专门召开“香山科技会议”，邀请国内多位在太赫兹研究领域有影响的院士专门讨论我国太赫兹事业的发展，并制定了我国太赫兹技术发展规划。“十三五”期间，我国把太赫兹技术列为国防三大颠覆类技术，认为谁掌握了太赫兹技术，谁就将占据未来军事制高点。为推动太赫兹器件的持续发展以及太赫兹技术的应用，包括军委科技委、军委装备发展部、国家自然科学基金委和科技部等部门都制定了长期发展规划或重大研究计划，持续推动太赫兹技术在成像探测、空间大容量通信等领域的应用；军委装备发展部在共性技术和预研基金等领域都部署了一系列太赫兹领域研究计划，包括太赫兹隐蔽目标探测技术、太赫兹近场探测技术、太赫兹波段目标特性控制材料和太赫兹时域光谱特性测量与建模技术等，推动太赫兹技术的全面发展；科技部则按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020）》有关部署，将太赫兹科学技术作为变革性关键科学技术问题列入了国家重点研发计划。

在太赫兹前沿学术领域，中国科学院电子学研究所一直处于全国领先地位，早在2008年前后就开始了相关研究，并在太赫兹辐射机理、自由电子激发、激元太赫兹表征、太赫兹开放式慢波结构以及量子点探测器等核心问题研究方面取得重大进展。他们研究发现，在太赫兹光子能量尺度下活跃着一系列特有激元，即准粒子和光子相互作用后形成的元激发，包括声子、激子、库伯对、磁子等，要想有效地操控和利用这些激元，需要从理论上对其特性进行系统描述，仅依靠经典电磁理论或量子理论都不能够描述这些激元的特性，因此，亟须发展一种新的理论框架来指导这一研究。

落户粤港澳大湾区 打造中国太赫兹科学中心

2019年3月8日，中国科学院空天信息研究院决定成立中国科学院空天信息研究院粤港澳大湾区研究院，发挥优势创新资源，集中精力打造太赫兹创新前沿科学平台，发展太赫兹科学理论，突破关键核心技术，形成完整的从基础理论到核心器件，再到系统应用的产业创新链条。2019年7月8日，中国科学院空天信息研究院与广州市人民政府、广州高新技术产业开发区管理委员会签署三方共建合作协议，三方各投资4亿元在广州市黄埔区建设中国科学院空天信息研究院粤港澳大湾区研究院。同年9月25日，吴一戎院士领衔的基础科学中心项目“太赫兹科学技术前沿”获批立项，获得国家自然科学基金委约1亿元的项目经费支持。2020年4月16日，中科院空天院大湾区研究院以自有经费，与广州市规划和自然资源局签署合同，受让位于黄埔区护林路以北、丰乐北路以西的80000余平方米土地用于研究院建设。

中科院空天院大湾区研究院的核心任务，就是聚焦发展创建太赫兹量子电磁学理论体系，突破人类利用太赫兹频谱资源的关键科学问题和技术瓶颈，形成一批引领国际的原创性理论方法和核心器件技术，强有力地推动现代物理学、材料科学、空间科学等领域的发展。同时，围绕太赫兹在雷达遥感领域的重大战略需求和生物医学等交叉学科领域的科学前沿，为太赫兹雷达技术研究和相关交叉学科的发展提供强有力的技术保障。

中科院空天院大湾区研究院新职工入职培训合影

目前，大湾区研究院整体的建设规划以及详细的实验室布局规划已经完成，各项建设工作正在有序推进。为保证相关研究工作的顺利进行，大湾区研究院在广州市开发区科技企业加速器园区内租用了临时办公实验场所，目前前期的设备采购、平台建设以及相关的基础和应用研究工作已经在逐步开展，并已成功搭建了3个太赫兹光学实验系统：双色场太赫兹系统、太赫兹扫描近场光学显微镜（SNOM）系统以及基于近场探针的太赫兹系统。为加快科研进度，大湾区研究院与暨南大学签署联合实验室协议，将太赫兹量子级联激光器系统的搭建研发场地暂设于暨南大学番禺校区。截至2021年5月，大湾区研究院共承担各类在研课题15项，总经费3.16亿元，其中包括太赫兹超分辨率成像在内的2项广东省重点领域研发计划项目、超快太赫兹基础科学研究平台在内的5项自主部署科研平台建设课题，以及新型材料太赫兹量子效应研究在内的4项自主部署科研课题等。

大湾区研究院高度重视人才队伍建设，通过各种途径广泛招纳高层次科研人才，特别是以中国科学院“中科百人”青年项目为依托，大力引进海外太赫兹领域的青年专家，为其提供配套科研专项，并协助组建相应项目团队。目前，大湾区研究院已引进全职科研人员80余人，其中包括5位顶尖青年科学家，他们主要来自太赫兹超快动力学、太赫兹天馈技术、太赫兹量子、太赫兹强场科学等领域的国际顶尖科研院所，他们的加入为大湾区研究院注入了强劲动力。未来，大湾区研究院将继续加强海外高层次人才引进工作，继续与其他6位有意向加盟的青年专家进行沟通交流，依托长江优青、基金委海外优青等人才支持政策，不断引进更多太赫兹领域的海外优秀高层次人才，打造太赫兹研究人才高地。

引领国际学术潮流 推动太赫兹产业化发展

国家对太赫兹科学研究高度重视，将其列入“十四五”规划重点发展科研方向。大湾区研究院作为我国从事太赫兹领域研究的专业科研机构，肩负着开展太赫兹理论研究、突破关键核心技术、推动产业化应用的光荣使命，理应在太赫兹理论研究及产业化应用方面走在全国乃至全球前列。可喜的是，大湾区研究院在国家和地方政府部门的坚强领导和大力支持下，各项工作均顺利开展，并取得一些阶段性工作成效，如大湾区研究院获得了国家发改委“十四五”重大科技基础设施项目支持。根据建设规划，大湾区研究院在“十四五”期间将继续建设6个科研中心，包括基础研究中心、核心器件研发中心、雷达遥感研究中心、生物医学研究中心、通信技术研究中心和成果孵化与产业化中心，通过开展研发活动，逐步推进太赫兹产业化发展。

按照大湾区研究院发展规划和目标定位，在不久的将来，将发展成为引领国际太赫兹科学发展的学术高地和科技创新中心。这一目标也与我国“十四五”规划纲要的重要发展任务之一——积极稳妥推进粤港澳大湾区建设，建设具有全球影响力的综合性国际科技创新中心的整体目标完美契合。在粤港澳大湾区得天独厚的区位优势以及中国科学院空天信息研究院深厚的基础科研实力的加持下，大湾区研究院定将蓬勃发展，取得佳绩！