50赫茲交流電簡介

近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心盛志高課題組與上海大學博士金鉆明博士、合肥研究院固體物理研究所研究員蘇付海合作，首次實現了基于石墨烯的太赫茲應力調制器。

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，太赫茲相關技術在通訊、安檢、傳感、國家安全等領域有著廣泛的應用前景，被稱為“改變未來世界的十大技術之一”。作為太赫茲應用核心部件的太赫茲調制器，是目前該領域研究的重要對象。為了實現高效、低損耗的調制效果，在傳統電學、光學方法之外，獲得新的太赫茲調制路徑是目前亟需解決的科學問題。

在該研究中，盛志高課題組博士研究生成龍構建了基于二維電子材料石墨烯的應力調制器件，通過采用自主搭建的太赫茲時域譜系統（THz-TDS），系統研究了該器件的應力調制特性。研究表明，基于石墨烯的器件具有優(yōu)異的調制效果。調制深度大，在1THz處的調制深度高達26%，且還有進一步提升空間；可雙向調制，張/壓應力下的太赫茲波調制分別為正/負；重復性和穩(wěn)定性好，這得益于所選擇的材料——石墨烯具有優(yōu)異的機械和電學性能；低插入損耗，基于應力的太赫茲調制技術主要基于本征載流子遷移率分布的調控，并沒有非平衡載流子產生，故而具有遠低于電學和光學調制的插入損耗。該調控機制可用于制備高速太赫茲調制器，在未來的太赫茲應用中具有良好的發(fā)展前景。

相關研究成果發(fā)表在《先進光學材料》上。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)專項、中科院前沿科學重點研究項目、“青年千人計劃”等的資助。

太赫茲應力調制器示意圖

來源：中國科學院合肥物質科學研究院

“光是一種電磁現象，可見光是電磁波的一種?！?888年初春的一天，在德國柏林科學院大廳里，31歲的德國科學家海因里?！數婪颉ず掌澰捯魟偮洌珗鲆黄@訝聲。

接著，赫茲不緊不慢地朗讀論文《論動電效應的傳播速度》，并詳細介紹自己做的電磁波實驗。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存在的?！焙掌澼p松結束講話。

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。

年輕時的赫茲。（網絡圖）

名師出高徒

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

當時，針對科學家麥克斯韋提出的電磁波理論，世界上只有少數科學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家、數學家，也是“能量守恒定律”的創(chuàng)立者，在生理學、電動力學、熱力學等領域中均有重大貢獻。一方面，亥姆霍茲向柏林科學院提出重金懸賞征求證實電磁波的實驗。另一方面他發(fā)現學生赫茲在電磁學方面有異于常人的天賦，便鼓勵其參加應征。

科學家亥姆霍茲像。(網絡圖)

赫茲早就被麥克斯韋的電磁學理論所吸引，并多次研讀麥克斯韋關于系統、全面、完美地闡述電磁場理論的巨著——《電磁理論》，對書中所講內容佩服得五體投地?！半姶艌龅淖兓矔袼ㄒ粯酉蛩拿姘朔綌U散出去，這個擴散出去的電磁場我把它叫做——電磁波。雖然我現在還無法用實驗的方法證明它的存在，但我堅信它一定存在。”麥克斯韋所說的這段話，赫茲曾反復研究。他堅信電磁波的存在，就像堅信這位素未謀面的前輩一樣。

于是，赫茲欣然接受導師建議，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。很長一段時間，他苦于找不到產生迅速變化的電磁場的辦法。有一天，赫茲在實驗室專心致志地工作，他發(fā)現當把一個兩端彎成長方形的銅線接到感應線圈上作放電實驗時，在間隙部位出現了一個來回迅速跳躍的小火花。赫茲立即意識到，這個跳動的小火花正是可以產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。當他從各種設想回到麥克思韋的電磁理論時，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線中不是應當產生電流嗎？

自然，觀察導線中有無電流是比較容易的事兒。

赫茲的實驗裝置。（來源于網絡）

赫茲開始試驗了。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，兩個銅球離得很近。兩根銅棒分別與高壓感應圈的兩個電極相連，這就是電磁波發(fā)生器。在離發(fā)生器10米遠的地方放著電磁波探測器，那是一個彎成環(huán)狀、兩端裝有銅球的銅棒，兩個銅球間的距離可用螺旋調節(jié)。

赫茲把門窗遮得嚴嚴實實，不讓一絲光線射進來。當他合上電源開關時，發(fā)射器的兩個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。他緊張地調節(jié)著探測器的螺絲，讓兩個銅球越靠越近。突然，兩個銅球的空隙也跳躍著微弱的電火花。

這就是電磁波！

后來，赫茲通過其它實驗，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驗報告，在柏林科學院作了如前文所述的報告。此后，再也沒有人懷疑電磁波了。正如愛因斯坦說：“在現代物理學家看來，電磁波正像他坐的椅子一樣實在?！?/p>

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。他的實驗，真真實實拉開了無線電運用的序幕。

電磁波發(fā)射器和探測器模擬圖。(來源于網絡)

電氣時代的到來

話說赫茲從柏林科學院走出來，便全心全意投入到電磁波的研究中，決心再攀科學高峰?？墒?，病魔時常折磨著他。經診斷，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。據統計，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，時年36歲。為了紀念赫茲對世界科學界的貢獻，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重復的次數。

紀念赫茲的郵票。(來源于網絡)

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

赫茲捕捉到電磁波后，各國科學家都敏銳感到機會的來臨。如何把電磁波運用到人類的生活和工作中呢？為解答這個問題，科學家們竭盡全力，進行著激烈的比賽。其中拔得頭籌的科學家之一，是把無線電技術運用到實際的波波夫。欲知后事，請看《電磁學系列大咖之終結篇，一生心系無線電技術的波波夫》。