在我面前你是透明的

一位特工正在和時間賽跑，他知道炸彈就在周圍。他跑到一個拐角，發現小巷內堆滿了可疑的紙箱。他急忙掏出手機，快速地逐個掃描面前的箱子，包裝內的物品一一展現。千鈞一發之際，手機屏幕上出現了爆炸裝置的輪廓，形勢瞬間扭轉，待爆炸裝置運行中止時，他才長出了一口氣。

看起來像是電影情節？但這一幕卻很有可能成為現實，而這要得益于美國加州理工學院工程師們開發出的一種低成本的微小硅芯片。這種成像芯片能夠產生并發射出高頻的電磁波，即太赫茲（THz）波。當它處于尚未被完全開發的電磁光譜區域，介于微波和遠紅外輻射之間，能夠滲透多種材料，卻不會出現X射線的電離損傷。

在掃描和成像領域應用潛力大

把這種新型微芯片整合進手持設備中，能夠應用于國家安全、無線通信、醫療保健甚至非接觸式游戲研發等多個方向。未來，這一技術還有望為非侵入式的癌癥診斷提供幫助。相關研究報告發表在最新一期的電氣電子工程師學會（IEEE）《固態電路雜志》上。

該校的電氣工程系教授阿力·哈基姆瑞說：“利用與制造現今手機微芯片同樣成本低廉的集成電路技術，我們研發出了比它們運行速度快300倍的硅芯片。這些芯片將為制造下一代十分多能的傳感器奠定基礎。”

頻率從0.3THz到3THz的太赫茲波，具有在掃描和成像等領域的應用潛力。這些電磁波能輕易滲透包裝材料，使得探測材料內部信息成為可能。例如，陶瓷、硬紙板和塑料制品等對太赫茲電磁輻射而言就是透明的，因此太赫茲波可以作為X射線的非電離和相干的互補輻射源，用于機場、車站等地的安全監測，比如探查槍械、生物武器、爆炸物和毒品等隱藏的非法物品。然而現有的太赫茲設備多為笨重而昂貴的激光裝置，有時甚至需要處于低溫環境。而技術的匱乏，也使太赫茲成像和掃描的發展停滯不前。

為了實現太赫茲波在這一領域的應用，哈基姆瑞和考西克·森古普塔使用了互補金屬氧化物半導體，即通常會被用于電子設備芯片制造中的CMOS技術，來設計具有全面集成功能的、可在太赫茲頻率運行的硅芯片，而其尺寸只有指尖大小。研究人員表示，這使太赫茲波成像成為了可能。新芯片能夠激發比現有途徑強勁1000倍的信號，而發出的太赫茲信號能在特定方向被動態程控，使它們成為世界上第一個集成的太赫茲掃描陣列。借助這種掃描裝置，研究人員能夠發現藏在塑料制品中的剃須刀片，或者確定動物組織中脂肪和肌肉的分布，診斷人體燒傷部位的損傷程度，以及植物葉片組織的水分含量分布等。而太赫茲成像技術與其他波段的成像技術相比，所得到探測圖像的分辨率和景深也均有明顯提高。“這并不是在談這項技術的潛能，而是切實地展現出它的實際效用。第一次看到太赫茲掃描圖像時，我們都屏住了呼吸。”哈基姆瑞說。

新研究克服了諸多技術限制

事實上，研究小組克服了諸多技術限制，才將CMOS技術轉變成了可運行的太赫茲芯片。每個晶體管都具有一個截止頻率，在這一頻率之上信號放大就無法實現，而標準的晶體管亦不能在太赫茲頻率放大信號。為了解決截止頻率的難題，科學家嘗試令多個晶體管一起工作。在正確的頻率和時間結合它們的力量，來促進集體信號的強度提升。借助新的晶體管操作方法，可使晶體管保持在截止頻率之上40%至50%，并能產生較大的功率。“就像一群螞蟻聯合起來，也能做到大象所能做到的事情，而且不止于此。”森古普塔解釋說。

科研人員還解決了太赫茲信號的發射和傳輸。在如此高的頻率下，無法按常理使用導線，而傳統的天線在微芯片尺寸效率也很低下。因此，科學家將整個硅芯片當作天線，集成了芯片上的金屬部分，在特定的時間和強度一起發射信號。整個解決方案囊括了集成電路、天線、電磁學和應用科學等多領域的創新，可謂十分全面。此外，IBM公司亦有助于此次的芯片制造。（張巍巍）