人類電磁波譜上最後的一塊拼圖-和二維材料結合的兆赫科技
109年02月05日
【本報導由光電工程研究所暨學士學位學程 楊承山教授研究團隊提供】 兆赫(Terahertz, THz)波段，所指的是頻率在1012 Hz附近，介於微波（<100 GHz）和遠紅外頻段（>10THz）之間的電磁波譜頻帶。本校楊承山老師與美國加州大學柏克萊分校教授等人所組成的跨國研究團隊，利用兆赫波微小晶片波導光譜系統，費時近兩年時間解開十幾年來於二維材料科學中無法解釋的謎題。團隊預期接近電中性的石墨烯應該像量子臨界相對論性電漿態「狄拉克流體」一樣，這是一種由相對論流體動力學描述的電子和電洞的量子臨界電漿體。團隊使用兆赫波微小晶片(On-chip)波導光譜系統，測量石墨烯中電子溫度介於77K和室溫(300K)之間的量子臨界電漿現象。揭示了石墨烯存在於典型電子系統中觀察不到的相對論現象，對未來在超快量子元件的發展，佔有非常舉足輕重的角色。而微小化的兆赫波系統設計，更可望使兆赫波技術於高速無線通訊、智慧科技、物聯網、新穎材料及國土安檢系統廣泛應用，進而改變人類生活。 所謂兆赫(Terahertz, THz)波段，所指的是頻率在1012 Hz附近，介於微波（<100 GHz）和遠紅外頻段（>10THz）之間的電磁波譜頻帶(詳見圖一)。相對於X射線(X-Ray)，該區域也被稱為T射線(T-Ray)。然而，歷史上一直很少有研究和發展兆赫波段的應用，因為如何有效的產生和探測兆赫波是一個極其重要的問題。兆赫波段是一非常舉足輕重的頻譜，在此段中，包含了許多決定材料特性的重要特徵能階，如半導體中受體、施體及光激子之束縛能、光模聲子、超導能隙。其他如電子-聲子散射，各種穿隧機制，在能量或時間尺度上，大都和兆赫波段範圍重疊。也因為如此，其可廣泛應用於各式安檢設備，如海關、警局、醫院等，用來檢測X射線測不到的塑膠炸彈、陶瓷武器及生物藥劑等；在醫學方面的應用，由於兆赫波的光子能量較低，影響人體的輻射能量遠低於X射線，非常安全，甚至可在做生醫檢測時，更精準地知道手術成功機率；更重要的是，在通訊方面，目前已跨足的5G時代相比，未來6G的頻段候選人-兆赫波科技，比目前使用的傳輸頻寬更廣，與光纖通訊網路結合，將能突破傳遞的距離限制，提供更快的網路服務，甚至比Wi-Fi標準快上數百倍速度。 圖一、兆赫波段於電磁波譜頻帶之示意圖 本校楊承山老師與美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)物理系合作，發現並成功解釋在超潔淨石墨烯(如圖二(a))中的量子臨界相對論電漿現象，並在近期刊登於全球最具權威性的學術期刊《科學》（Science），解開十幾年來於二維材料科學中無法解釋的謎題，揭示了石墨烯存在於典型電子系統中觀察不到的相對論現象，對未來在超快量子元件的發展，佔有非常舉足輕重的角色。而微小化的兆赫波系統設計，更可望使兆赫波技術於高速無線通訊、儀器與檢測、新穎材料及國土安檢系統廣泛應用，進而改變人類生活。 近年來，石墨烯的出現在科學界激起了巨大波瀾，引發了研究熱潮。經過十多年研究，科學家發現，石墨烯是電阻率最小、導電性最佳的物質，是已知強度最高的物質，其透光性、導熱性、韌性也非常好。科學家還發現，石墨烯可產生兆赫範圍的輻射—將紅外線照射到石墨烯薄膜上，只需很短時間就能放射出兆赫的光源，進而開發出能在室溫條件下工作的高性能兆赫波雷射器。 圖二、(a)超潔淨石墨烯於顯微鏡下之實際影像。 (b)兆赫波微小晶片波導光譜系統 本校楊承山老師與美國加州大學柏克萊分校教授等人所組成的跨國研究團隊，利用兆赫波微小晶片波導光譜系統(如圖二(b))，費時近兩年時間完成這項突破性成果，整個實驗品大小約3平方公分。團隊預期接近電中性的石墨烯應該像量子臨界相對論性電漿態「狄拉克流體」一樣，這是一種由相對論流體動力學描述的電子和電洞的量子臨界電漿體。團隊使用兆赫波微小晶片(On-chip)波導光譜系統，測量石墨烯中電子溫度介於77K和室溫(300K)之間的量子臨界相對論電漿現象，其中包括發現狄拉克流體(Dirac Fluid)的臨界散射率特徵；以及發現其在較高摻雜濃度時，發現了同時具有零和非零總動量這兩種截然不同的載流模式，其為相對論流體動力學的一種重要表現形式。 這項研究工作揭示了材料的量子臨界性，其中每個部份處於有序和無序的量子疊加（類似於薛丁格的貓，在「死」和「活著」的量子態中疊加），以及石墨烯中電荷中性附近的異常動態激發。Landau的費米液態(Fermi liquid)理論將典型金屬的電子相互作用定義為一種無交互作用準粒子的理想氣體。然而，在石墨烯中，由於其線性能帶結構和強烈地庫侖交互作用，該理論並不適用。在輕度摻雜的情況下，研究團隊發現電流可以通過兩種不同的零和非零總動量模式來承載。隨著摻雜濃度的增加，零動量模式的行為會減少，而有限動量模式則會增加，進而形成從狄拉克流體到費米液體行為的過渡現象。 而在實際的實驗進行方式上，兆赫波時域光譜可在相當寬頻之範圍觀察量子臨界導電率，非常適合用於觀察該現象。然而，由於兆赫波繞射極限的關係，傳統的兆赫光譜儀僅能用於量測缺陷較多，動量較低的大面積石墨烯薄膜，進而觀測不到狄拉克流體的特性。這也是在過去十幾年，全球沒有其他研究團隊可以解析此現象之原因。 楊承山老師提到，對於大學專題時期就開始接觸超快與兆赫相關科學背景的他來說，可以與跨國團隊合作，把十幾年前只有在理論預測過的物理現象直接觀察並解釋出來，即使過程曲折漫長，仍然覺得欣喜並心存感謝。然而，純粹的基礎科學研究固然重要，楊老師個人認為在兆赫波段和很多遠紅外之技術更重要的應該是去討論如何將其超高頻寬且與物質作用強的特色廣泛應用於生活和產業上，如無人車、精準醫療、物聯網、和AI科技。大家齊心協力，完成人類這電磁波譜歷史上的最後一塊拼圖。 原文出處： https://science.sciencemag.org/content/364/6436/158/tab-figures-data