50赫茲交流電

近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心盛志高課題組與上海大學(xué)博士金鉆明博士、合肥研究院固體物理研究所研究員蘇付海合作，首次實(shí)現(xiàn)了基于石墨烯的太赫茲應(yīng)力調(diào)制器。

太赫茲（Terahertz，THz）一般是指頻率介于1011~1013頻段的亞毫米電磁波。由于優(yōu)越的波譜性能，太赫茲相關(guān)技術(shù)在通訊、安檢、傳感、國家安全等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，被稱為“改變未來世界的十大技術(shù)之一”。作為太赫茲應(yīng)用核心部件的太赫茲調(diào)制器，是目前該領(lǐng)域研究的重要對象。為了實(shí)現(xiàn)高效、低損耗的調(diào)制效果，在傳統(tǒng)電學(xué)、光學(xué)方法之外，獲得新的太赫茲調(diào)制路徑是目前亟需解決的科學(xué)問題。

在該研究中，盛志高課題組博士研究生成龍構(gòu)建了基于二維電子材料石墨烯的應(yīng)力調(diào)制器件，通過采用自主搭建的太赫茲時(shí)域譜系統(tǒng)（THz-TDS），系統(tǒng)研究了該器件的應(yīng)力調(diào)制特性。研究表明，基于石墨烯的器件具有優(yōu)異的調(diào)制效果。調(diào)制深度大，在1THz處的調(diào)制深度高達(dá)26%，且還有進(jìn)一步提升空間；可雙向調(diào)制，張/壓應(yīng)力下的太赫茲波調(diào)制分別為正/負(fù)；重復(fù)性和穩(wěn)定性好，這得益于所選擇的材料——石墨烯具有優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)性能；低插入損耗，基于應(yīng)力的太赫茲調(diào)制技術(shù)主要基于本征載流子遷移率分布的調(diào)控，并沒有非平衡載流子產(chǎn)生，故而具有遠(yuǎn)低于電學(xué)和光學(xué)調(diào)制的插入損耗。該調(diào)控機(jī)制可用于制備高速太赫茲調(diào)制器，在未來的太赫茲應(yīng)用中具有良好的發(fā)展前景。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)光學(xué)材料》上。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、“青年千人計(jì)劃”等的資助。

太赫茲應(yīng)力調(diào)制器示意圖

來源：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院

“光是一種電磁現(xiàn)象，可見光是電磁波的一種。”1888年初春的一天，在德國柏林科學(xué)院大廳里，31歲的德國科學(xué)家海因里?！?shù)婪颉ず掌澰捯魟偮?，全場一片驚訝聲。

接著，赫茲不緊不慢地朗讀論文《論動(dòng)電效應(yīng)的傳播速度》，并詳細(xì)介紹自己做的電磁波實(shí)驗(yàn)。觀眾聽得如癡如醉。

“這就是我捕捉電磁波的過程。此刻我敢向世界宣布，麥克斯韋提出的電磁波是真實(shí)存在的?！焙掌澼p松結(jié)束講話。

良久，雷鳴般的掌聲響起來。

赫茲到底是怎么捕捉到電磁波的？這事說來話長。

年輕時(shí)的赫茲。（網(wǎng)絡(luò)圖）

名師出高徒

赫茲出生于德國漢堡的基督教猶太家庭。他從小學(xué)習(xí)刻苦，語言和科學(xué)科目成績都很優(yōu)秀。年輕時(shí)，他曾在德國慕尼黑、柏林等地學(xué)習(xí)工程學(xué)與物理學(xué)。1878年，赫茲在親友資助下進(jìn)入柏林大學(xué)，跟著赫爾曼·范·亥姆霍茲教授攻讀電學(xué)，直到1883年出任基爾大學(xué)理論物理學(xué)講師。

當(dāng)時(shí)，針對科學(xué)家麥克斯韋提出的電磁波理論，世界上只有少數(shù)科學(xué)家能接受并給予支持。亥姆霍茲就是其中之一。他是德國著名的生物物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，也是“能量守恒定律”的創(chuàng)立者，在生理學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等領(lǐng)域中均有重大貢獻(xiàn)。一方面，亥姆霍茲向柏林科學(xué)院提出重金懸賞征求證實(shí)電磁波的實(shí)驗(yàn)。另一方面他發(fā)現(xiàn)學(xué)生赫茲在電磁學(xué)方面有異于常人的天賦，便鼓勵(lì)其參加應(yīng)征。

科學(xué)家亥姆霍茲像。(網(wǎng)絡(luò)圖)

赫茲早就被麥克斯韋的電磁學(xué)理論所吸引，并多次研讀麥克斯韋關(guān)于系統(tǒng)、全面、完美地闡述電磁場理論的巨著——《電磁理論》，對書中所講內(nèi)容佩服得五體投地?！半姶艌龅淖兓矔?huì)像水波一樣向四面八方擴(kuò)散出去，這個(gè)擴(kuò)散出去的電磁場我把它叫做——電磁波。雖然我現(xiàn)在還無法用實(shí)驗(yàn)的方法證明它的存在，但我堅(jiān)信它一定存在?！丙溈怂鬼f所說的這段話，赫茲曾反復(fù)研究。他堅(jiān)信電磁波的存在，就像堅(jiān)信這位素未謀面的前輩一樣。

于是，赫茲欣然接受導(dǎo)師建議，十年如一日，孜孜不倦地投入到尋找電磁波的研究中。

捕捉電磁波

赫茲首先要做的，是制造電磁波。很長一段時(shí)間，他苦于找不到產(chǎn)生迅速變化的電磁場的辦法。有一天，赫茲在實(shí)驗(yàn)室專心致志地工作，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)把一個(gè)兩端彎成長方形的銅線接到感應(yīng)線圈上作放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，在間隙部位出現(xiàn)了一個(gè)來回迅速跳躍的小火花。赫茲立即意識到，這個(gè)跳動(dòng)的小火花正是可以產(chǎn)生變化的電場和磁場。

那么又怎樣接收電磁波呢？他百思不得其解。當(dāng)他從各種設(shè)想回到麥克思韋的電磁理論時(shí)，突然頓悟，電磁波既然向四面八方傳播，那么在它傳播空間的導(dǎo)線中不是應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生電流嗎？

自然，觀察導(dǎo)線中有無電流是比較容易的事兒。

赫茲的實(shí)驗(yàn)裝置。（來源于網(wǎng)絡(luò)）

赫茲開始試驗(yàn)了。他的裝置很簡單，兩塊鋅板，每塊都連著一根端上裝著銅球的銅棒，兩個(gè)銅球離得很近。兩根銅棒分別與高壓感應(yīng)圈的兩個(gè)電極相連，這就是電磁波發(fā)生器。在離發(fā)生器10米遠(yuǎn)的地方放著電磁波探測器，那是一個(gè)彎成環(huán)狀、兩端裝有銅球的銅棒，兩個(gè)銅球間的距離可用螺旋調(diào)節(jié)。

赫茲把門窗遮得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，不讓一絲光線射進(jìn)來。當(dāng)他合上電源開關(guān)時(shí)，發(fā)射器的兩個(gè)銅球間閃出耀眼的火花，發(fā)出劈劈啪啪的響聲。但這不是赫茲要觀察的目標(biāo)。他緊張地調(diào)節(jié)著探測器的螺絲，讓兩個(gè)銅球越靠越近。突然，兩個(gè)銅球的空隙也跳躍著微弱的電火花。

這就是電磁波！

后來，赫茲通過其它實(shí)驗(yàn)，證明了電磁波與光一樣，可以發(fā)生反射、折射，其速度與光速一樣，是30萬千米每秒。

1888年1月，赫茲整理自己的理論和實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在柏林科學(xué)院作了如前文所述的報(bào)告。此后，再也沒有人懷疑電磁波了。正如愛因斯坦說：“在現(xiàn)代物理學(xué)家看來，電磁波正像他坐的椅子一樣實(shí)在。”

而赫茲發(fā)明的電磁波發(fā)射器和探測器，也就是后來無線電發(fā)射器和接收器的開端。他的實(shí)驗(yàn)，真真實(shí)實(shí)拉開了無線電運(yùn)用的序幕。

電磁波發(fā)射器和探測器模擬圖。(來源于網(wǎng)絡(luò))

電氣時(shí)代的到來

話說赫茲從柏林科學(xué)院走出來，便全心全意投入到電磁波的研究中，決心再攀科學(xué)高峰?？墒?，病魔時(shí)常折磨著他。經(jīng)診斷，原來他感染了韋格納肉芽腫病。這種病又叫韋格納肉芽腫，簡稱GPA，是一種壞死性肉芽腫性血管炎，屬自身免疫性疾病。據(jù)統(tǒng)計(jì)，患這種病的以中年人居多。1894年，赫茲在德國波恩因此病逝世，時(shí)年36歲。為了紀(jì)念赫茲對世界科學(xué)界的貢獻(xiàn)，人們用他的名字來作為國際單位制中頻率的單位，簡稱“赫”。一赫茲即每秒中的周期性變動(dòng)重復(fù)的次數(shù)。

紀(jì)念赫茲的郵票。(來源于網(wǎng)絡(luò))

值得一提的是，受他的精神影響，同樣酷愛科學(xué)的侄子古斯塔夫·路德維格·赫茲獲得1925年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；古斯塔夫之子卡爾·海爾莫斯·赫茲則開創(chuàng)了現(xiàn)代超聲影像醫(yī)學(xué)。

赫茲捕捉到電磁波后，各國科學(xué)家都敏銳感到機(jī)會(huì)的來臨。如何把電磁波運(yùn)用到人類的生活和工作中呢？為解答這個(gè)問題，科學(xué)家們竭盡全力，進(jìn)行著激烈的比賽。其中拔得頭籌的科學(xué)家之一，是把無線電技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際的波波夫。欲知后事，請看《電磁學(xué)系列大咖之終結(jié)篇，一生心系無線電技術(shù)的波波夫》。