50赫兹交流电

近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心盛志高课题组与上海大学博士金钻明博士、合肥研究院固体物理研究所研究员苏付海合作，首次实现了基于石墨烯的太赫兹应力调制器。

太赫兹（Terahertz，THz）一般是指频率介于1011~1013频段的亚毫米电磁波。由于优越的波谱性能，太赫兹相关技术在通讯、安检、传感、国家安全等领域有着广泛的应用前景，被称为“改变未来世界的十大技术之一”。作为太赫兹应用核心部件的太赫兹调制器，是目前该领域研究的重要对象。为了实现高效、低损耗的调制效果，在传统电学、光学方法之外，获得新的太赫兹调制路径是目前亟需解决的科学问题。

在该研究中，盛志高课题组博士研究生成龙构建了基于二维电子材料石墨烯的应力调制器件，通过采用自主搭建的太赫兹时域谱系统（THz-TDS），系统研究了该器件的应力调制特性。研究表明，基于石墨烯的器件具有优异的调制效果。调制深度大，在1THz处的调制深度高达26%，且还有进一步提升空间；可双向调制，张/压应力下的太赫兹波调制分别为正/负；重复性和稳定性好，这得益于所选择的材料——石墨烯具有优异的机械和电学性能；低插入损耗，基于应力的太赫兹调制技术主要基于本征载流子迁移率分布的调控，并没有非平衡载流子产生，故而具有远低于电学和光学调制的插入损耗。该调控机制可用于制备高速太赫兹调制器，在未来的太赫兹应用中具有良好的发展前景。

相关研究成果发表在《先进光学材料》上。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发专项、中科院前沿科学重点研究项目、“青年千人计划”等的资助。

太赫兹应力调制器示意图

来源：中国科学院合肥物质科学研究院

“光是一种电磁现象，可见光是电磁波的一种。”1888年初春的一天，在德国柏林科学院大厅里，31岁的德国科学家海因里希·鲁道夫·赫兹话音刚落，全场一片惊讶声。

接着，赫兹不紧不慢地朗读论文《论动电效应的传播速度》，并详细介绍自己做的电磁波实验。观众听得如痴如醉。

“这就是我捕捉电磁波的过程。此刻我敢向世界宣布，麦克斯韦提出的电磁波是真实存在的。”赫兹轻松结束讲话。

良久，雷鸣般的掌声响起来。

赫兹到底是怎么捕捉到电磁波的？这事说来话长。

年轻时的赫兹。（网络图）

名师出高徒

赫兹出生于德国汉堡的基督教犹太家庭。他从小学习刻苦，语言和科学科目成绩都很优秀。年轻时，他曾在德国慕尼黑、柏林等地学习工程学与物理学。1878年，赫兹在亲友资助下进入柏林大学，跟着赫尔曼·范·亥姆霍兹教授攻读电学，直到1883年出任基尔大学理论物理学讲师。

当时，针对科学家麦克斯韦提出的电磁波理论，世界上只有少数科学家能接受并给予支持。亥姆霍兹就是其中之一。他是德国著名的生物物理学家、数学家，也是“能量守恒定律”的创立者，在生理学、电动力学、热力学等领域中均有重大贡献。一方面，亥姆霍兹向柏林科学院提出重金悬赏征求证实电磁波的实验。另一方面他发现学生赫兹在电磁学方面有异于常人的天赋，便鼓励其参加应征。

科学家亥姆霍兹像。(网络图)

赫兹早就被麦克斯韦的电磁学理论所吸引，并多次研读麦克斯韦关于系统、全面、完美地阐述电磁场理论的巨著——《电磁理论》，对书中所讲内容佩服得五体投地。“电磁场的变化也会像水波一样向四面八方扩散出去，这个扩散出去的电磁场我把它叫做——电磁波。虽然我现在还无法用实验的方法证明它的存在，但我坚信它一定存在。”麦克斯韦所说的这段话，赫兹曾反复研究。他坚信电磁波的存在，就像坚信这位素未谋面的前辈一样。

于是，赫兹欣然接受导师建议，十年如一日，孜孜不倦地投入到寻找电磁波的研究中。

捕捉电磁波

赫兹首先要做的，是制造电磁波。很长一段时间，他苦于找不到产生迅速变化的电磁场的办法。有一天，赫兹在实验室专心致志地工作，他发现当把一个两端弯成长方形的铜线接到感应线圈上作放电实验时，在间隙部位出现了一个来回迅速跳跃的小火花。赫兹立即意识到，这个跳动的小火花正是可以产生变化的电场和磁场。

那么又怎样接收电磁波呢？他百思不得其解。当他从各种设想回到麦克思韦的电磁理论时，突然顿悟，电磁波既然向四面八方传播，那么在它传播空间的导线中不是应当产生电流吗？

自然，观察导线中有无电流是比较容易的事儿。

赫兹的实验装置。（来源于网络）

赫兹开始试验了。他的装置很简单，两块锌板，每块都连着一根端上装着铜球的铜棒，两个铜球离得很近。两根铜棒分别与高压感应圈的两个电极相连，这就是电磁波发生器。在离发生器10米远的地方放着电磁波探测器，那是一个弯成环状、两端装有铜球的铜棒，两个铜球间的距离可用螺旋调节。

赫兹把门窗遮得严严实实，不让一丝光线射进来。当他合上电源开关时，发射器的两个铜球间闪出耀眼的火花，发出劈劈啪啪的响声。但这不是赫兹要观察的目标。他紧张地调节着探测器的螺丝，让两个铜球越靠越近。突然，两个铜球的空隙也跳跃着微弱的电火花。

这就是电磁波！

后来，赫兹通过其它实验，证明了电磁波与光一样，可以发生反射、折射，其速度与光速一样，是30万千米每秒。

1888年1月，赫兹整理自己的理论和实验报告，在柏林科学院作了如前文所述的报告。此后，再也没有人怀疑电磁波了。正如爱因斯坦说：“在现代物理学家看来，电磁波正像他坐的椅子一样实在。”

而赫兹发明的电磁波发射器和探测器，也就是后来无线电发射器和接收器的开端。他的实验，真真实实拉开了无线电运用的序幕。

电磁波发射器和探测器模拟图。(来源于网络)

电气时代的到来

话说赫兹从柏林科学院走出来，便全心全意投入到电磁波的研究中，决心再攀科学高峰。可是，病魔时常折磨着他。经诊断，原来他感染了韦格纳肉芽肿病。这种病又叫韦格纳肉芽肿，简称GPA，是一种坏死性肉芽肿性血管炎，属自身免疫性疾病。据统计，患这种病的以中年人居多。1894年，赫兹在德国波恩因此病逝世，时年36岁。为了纪念赫兹对世界科学界的贡献，人们用他的名字来作为国际单位制中频率的单位，简称“赫”。一赫兹即每秒中的周期性变动重复的次数。

纪念赫兹的邮票。(来源于网络)

值得一提的是，受他的精神影响，同样酷爱科学的侄子古斯塔夫·路德维格·赫兹获得1925年诺贝尔物理学奖；古斯塔夫之子卡尔·海尔莫斯·赫兹则开创了现代超声影像医学。

赫兹捕捉到电磁波后，各国科学家都敏锐感到机会的来临。如何把电磁波运用到人类的生活和工作中呢？为解答这个问题，科学家们竭尽全力，进行着激烈的比赛。其中拔得头筹的科学家之一，是把无线电技术运用到实际的波波夫。欲知后事，请看《电磁学系列大咖之终结篇，一生心系无线电技术的波波夫》。