电磁频谱中存在一个工程师无法涉足的空白区域。
该频谱涵盖了从无线电波和微波，到我们眼睛看到的光，再到 X 射线和伽马射线的一切。人类已经掌握了发送和接收几乎所有这些波段的艺术。
然而，有一个例外。在可见光束和无线电静电的哔哔声之间，存在一个我们的技术无效的“死亡区域”。它被称为太赫兹空隙。几十年来，没有人成功制造出能够传输太赫兹波的消费级设备。
麻省理工学院的电气工程师 Qing Hu 表示：“有大量潜在的应用。”
但一些研究人员正在缓慢取得进展。如果他们成功了，他们可能会开启一系列全新的技术，例如 Wi-Fi 的下一代产品或更智能的皮肤癌检测系统。
太赫兹之谜
将太赫兹空隙视为一个边境地带。左侧是微波和较长的无线电波。右侧是红外频谱。（有些科学家甚至称太赫兹空隙为“远红外线”。）我们的眼睛看不到红外线，但就我们的技术而言，它就像光一样。
无线电波对于通信至关重要，尤其是在电子设备之间，这使得它们在当今的电子产品中无处不在。光为支撑互联网的光纤提供动力。这些技术领域通常依赖于不同的波长，并且在现代世界中难以共存。
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但这两个领域都难以深入太赫兹中性区域。标准的电子元件，如硅芯片，无法足够快地处理太赫兹波。激光等发光技术，在红外领域表现出色，但却无法用于太赫兹波。更糟糕的是，太赫兹波在大气中持续时间很短：空气中的水蒸气会在几十英尺后吸收它们。
有一些太赫兹波长可以穿过水蒸气。天文学家已经建造了望远镜来捕获这些波段，这些波段特别适合观测星际尘埃。为了达到最佳使用效果，这些望远镜需要安装在地球上最干燥、最高的地方，例如智利的阿塔卡马沙漠，或者直接部署在地球大气层之外的太空中。
太赫兹空隙的其余部分被迷雾笼罩。像 Hu 这样的研究人员正在努力解决这个问题，但这并不容易。
工程化太赫兹波
在利用太赫兹波方面，电子世界面临一个根本性问题。要进入这个空隙，我们电子产品中的硅芯片需要快速脉动——每秒数万亿次循环（因此称为太赫兹）。你手机或电脑中的芯片可以完美地以每秒数百万或数十亿次循环的速度运行，但它们难以达到数万亿次。即使是那些能够工作的、高度实验性的太赫兹元件，成本也可能高达一辆豪华汽车。工程师们正在努力降低价格。
另一个领域，即光的世界，长期以来一直在寻求制造能够廉价地产生特定频率太赫兹波的激光器等设备。研究人员早在 20 世纪 80 年代就开始讨论如何制造这种激光器。有些人认为这是不可能的。
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但麻省理工学院的 Hu 不这么认为。“我对如何制造激光器一无所知，”他说。然而，制造这种激光器成了他的追求。
然后，在 1994 年，科学家们发明了量子级联激光器，它在制造红外光方面特别有效。Hu 和他的同事们所要做的就是将激光器的波长推向更长的远红外波段。
大约在 2002 年，他们成功制造了太赫兹量子级联激光器。但有一个问题：该系统需要大约 -343 华氏度（约 -208 摄氏度）的温度才能工作。它还需要液氮才能工作，这使得它很难在实验室或低温环境之外使用。
在过去的二十年里，这个温度阈值已经有所提高。Hu 实验室最新的激光器工作温度为 8 华氏度（约 -13 摄氏度）。这还不是室温，但足够凉爽，可以将激光器放入便携式冰箱中，并从实验室运出。与此同时，在 2019 年，一个来自哈佛大学、麻省理工学院和美国陆军的团队制造了一个鞋盒大小的太赫兹激光器，可以改变分子气体。
在 Hu 调整激光器的时间里，电子产品也取得了进步。芯片构建方式和材料的进步使它们运行得越来越快。（瑞士一个小组于 2020 年制造的纳米等离子体芯片能够传输 600 毫瓦的太赫兹波，但同样，仅在实验室中。）虽然电气工程师希望看到更多进展，但设计太赫兹元件已不再是遥不可及的梦想。
麻省理工学院的电气工程师 Ruonan Han 说：“现在我们真的可以在芯片上制造非常复杂的系统了。“所以我认为情况正在改变。”
加州大学圣巴巴拉分校太赫兹设施的物理学家 Mark Sherwin 说：“过去三十年里，两端都在进步。“它仍然相对罕见，但我会说，要常见得多……而且容易得多。”
在技术炒作与失望的周期不断循环的世界里，这种长达数十年的时间尺度是很常见的。在工程师中，太赫兹波也不例外。
太赫兹技术的未来
目前，试图从两端进入太赫兹“黑暗地带”的两个领域仍然很大程度上是分开的。即便如此，它们也为科学界提供了广泛学科的新能力。
其中一些能力可以加速通信。你的 Wi-Fi 使用微波：太赫兹波的频率比微波高，可以建立一个数量级更快的连接。通过有线连接，它还可以创建 USB 和光纤之间的闪电般的速度的结合。
太赫兹波也非常适合检测物质。Sherwin 说：“几乎每种分子在太赫兹频率范围内都有其‘指纹’频谱。“这使得太赫兹波成为检测炸药等化学品和药物中的分子的理想选择。天文学家已经利用这种能力来观测宇宙尘埃和天体的化学成分。在地球上，Han 设想了一个太赫兹“电子鼻”，甚至可以辨别人体内的气味。
这些太赫兹特征也使得远红外线成为扫描人和物体的理想选择。太赫兹波可以穿透光线无法穿透的物质，例如衣服，并且避免了 X 射线等潜在的有害电离辐射。安检人员已经对这项技术表现出兴趣。
太赫兹波缺乏的一个扫描特性是它们无法穿透水——无论是空气中的水还是人体内的水。但这对于医学来说并非障碍。医生可以使用太赫兹设备筛查 X 射线可能忽略的皮肤癌的细微迹象；或者神经科学家可以用它来扫描小鼠大脑。
在地球上，Han 设想了一个太赫兹“电子鼻”，甚至可以辨别人体内的气味。
Hu 认为研究仍处于早期阶段。“如果我们能够开发出真正能够看到东西而无需花费很长时间扫描某个区域的工具，这可能会真正吸引潜在的使用者来玩弄它，”他说。“这是一个开放式问题。”
太赫兹空隙的大部分仍然是研究人员地图上的空白区域，这意味着使用令人垂涎的远红外波的设备现在还不普遍。
Han 说：“研究人员确实没有太多机会去探索[太赫兹波]的优点。“所以，目前，差距内的更快、更灵敏的世界仍然很大程度上存在于他们的想象中。
