Terahertz là gì? Cơ sở vật lý, công nghệ và ứng dụng

Terahertz là dải tần số của bức xạ điện từ nằm trong khoảng từ 0,1 THz đến 10 THz, tương ứng với bước sóng từ 3 mm đến 30 µm trong chân không, tọa lạc tại vùng chuyển tiếp giữa miền sóng vi ba và miền hồng ngoại xa của quang phổ điện từ. Vùng bức xạ này mang những đặc tính vật lý độc đáo khi vừa có khả năng đâm xuyên qua nhiều vật liệu điện môi như sóng vô tuyến, vừa có năng lượng photon nhạy cảm với các dao động liên phân tử của đại phân tử hữu cơ như ánh sáng quang học. Bài viết trình bày chi tiết về cơ sở vật lý, hiện tượng khoảng trống terahertz, kỹ thuật phát và thu nhận tín hiệu, các ứng dụng khoa học công nghệ nổi bật cùng ranh giới kỹ thuật của dải sóng này.

Khái niệm và vị trí của dải tần terahertz trong quang phổ

Đơn vị terahertz (viết tắt là THz) đại diện cho một nghìn tỷ hertz trong hệ đo lường quốc tế. Bức xạ terahertz thường được các nhà vật lý và kỹ sư quang điện tử quy ước là dải sóng điện từ nằm trong khoảng tần số $f$ từ 0,1 THz đến 10 THz. Theo công thức liên hệ giữa bước sóng $\lambda$, vận tốc ánh sáng $c$ và tần số $f$:

với $c$ là vận tốc ánh sáng trong chân không và $f$ là tần số dao động của sóng điện từ, dải tần này tương ứng với dải bước sóng từ 3 mm đến 30 µm, nằm ở ranh giới giữa sóng milimet và miền hồng ngoại xa.

Về mặt năng lượng lượng tử, theo hệ thức Planck:

với $E$ là năng lượng của một photon ánh sáng, $h$ là hằng số Planck và $f$ là tần số bức xạ, năng lượng photon của sóng terahertz dao động trong khoảng từ 0,41 meV đến 41,4 meV. Mức năng lượng này thấp hơn hàng nghìn lần so với năng lượng của tia X hoặc tia cực tím và thấp hơn nhiều so với năng lượng ion hóa của các nguyên tử và phân tử sinh học (thường ở mức vài electronvolt). Nhờ đặc tính này, bức xạ terahertz là bức xạ không ion hóa, hoàn toàn an toàn đối với các mô sinh học sống khi chiếu xạ ở mức công suất thông thường.

Tổng quan của Tonouchi (2007) trên tạp chí Nature Photonics đã khẳng định vị trí giao thoa đặc biệt của dải terahertz giữa cơ học lượng tử quang tử và lý thuyết điện từ cổ điển, mở ra những hướng tiếp cận công nghệ hoàn toàn mới trong việc nghiên cứu tương tác giữa ánh sáng và vật chất.

Khoảng trống terahertz và cơ sở vật lý

Trong suốt nhiều thập kỷ của thế kỷ trước, vùng phổ terahertz thường được cộng đồng khoa học quốc tế gọi là khoảng trống terahertz (terahertz gap). Thuật ngữ này phản ánh thực trạng vùng phổ nằm giữa hai miền công nghệ đã phát triển cực kỳ rực rỡ nhưng lại thiếu hụt các linh kiện phát và thu tín hiệu hiệu quả ở nhiệt độ phòng.

Theo phân tích kinh điển của Siegel (2002) trên tạp chí IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, nguyên nhân cốt lõi tạo nên khoảng trống terahertz bắt nguồn từ giới hạn vật lý của hai phương pháp tiếp cận truyền thống:

• Giới hạn từ phía điện tử học bán dẫn (tần số cao đi lên): Các linh kiện điện tử bán dẫn truyền thống như transistor hay vi mạch tích hợp hoạt động dựa trên sự chuyển động của các hạt mang điện tự do. Khi tần số vượt quá ngưỡng hàng trăm gigahertz, thời gian chuyển tiếp của điện tử qua vùng tích cực của linh kiện và các hiệu ứng điện dung ký sinh làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất chuyển đổi năng lượng và công suất đầu ra.
• Giới hạn từ phía quang tử học (quang học đi xuống): Các nguồn phát quang học như laser bán dẫn hoạt động dựa trên sự chuyển mức năng lượng của điện tử giữa các vùng năng lượng. Do năng lượng photon của vùng terahertz (từ 0,41 meV đến 41,4 meV) nhỏ hơn nhiều so với năng lượng kích thích nhiệt ở nhiệt độ phòng, các laser thông thường bị dập tắt bức xạ bởi các quá trình tán xạ nhiệt nếu không có hệ thống làm lạnh sâu ở nhiệt độ chất làm lạnh lỏng.

Sự đột phá trong công nghệ vật liệu bán dẫn, laser xung cực ngắn (femtosecond laser) và cấu trúc nano trong những thập kỷ gần đây đã từng bước xóa bỏ khoảng trống này, đưa công nghệ terahertz từ phòng thí nghiệm vật lý lý thuyết vào đời sống thực tiễn.

Các phương pháp tạo nguồn và thu nhận bức xạ terahertz

Hiện nay, việc tạo ra và phát hiện sóng terahertz được thực hiện thông qua hai nhánh công nghệ chủ đạo: quang tử học và điện tử học bán dẫn.

1. Kỹ thuật quang tử học

Nhánh quang tử học tận dụng các xung laser quang học cực ngắn để kích thích hoặc điều biến vật liệu bán dẫn và tinh thể phi tuyến:

• Anten quang dẫn: Sử dụng các tấm bán dẫn có thời gian sống của hạt mang điện cực ngắn (như arsenua gali nhiệt độ thấp). Khi một xung laser femtosecond chiếu vào khe hở giữa hai điện cực kim loại đặt dưới điện áp phân cực, các cặp điện tử - lỗ trống được sinh ra tức thời và tăng tốc nhanh chóng dưới điện trường ngoài, phát ra một xung điện từ terahertz có độ rộng xung cỡ picosecond.
• Chỉnh lưu quang học trong tinh thể phi tuyến: Hiệu ứng quang học phi tuyến bậc hai trong các tinh thể như kẽm telluride hoặc gali photphua cho phép trộn các thành phần tần số bên trong cùng một xung laser băng thông rộng để tạo ra sóng phân cực điện môi bức xạ ở tần số terahertz.
• Laser tầng lượng tử terahertz: Sử dụng các cấu trúc giếng lượng tử nhân tạo bán dẫn đơn tinh thể để tạo ra các chuyển dời điện tử giữa các phân vùng năng lượng dẫn. Đây là nguồn phát terahertz thể rắn có công suất bức xạ liên tục cao.

2. Kỹ thuật điện tử học bán dẫn

Nhánh điện tử học mở rộng khả năng hoạt động của các mạch siêu cao tần lên miền terahertz thấp:

• Diode nhân tần Schottky: Tận dụng đặc tính phi tuyến của tiếp giáp kim loại - bán dẫn để nhân tần số từ các nguồn dao động vi ba gốc lên các hài bậc cao trong dải tần số terahertz.
• Transistor dịch chuyển điện tử cao: Thiết kế các cấu trúc dị thể bán dẫn với độ linh động điện tử cực lớn cho phép khuếch đại và phát sóng trực tiếp ở dải tần số hàng trăm gigahertz.

Bảng so sánh bức xạ terahertz với các vùng phổ điện từ lân cận

Để nhận diện rõ nét tính chất vật lý của sóng terahertz, bảng dưới đây đối chiếu các thông số cơ bản giữa ba vùng phổ kế cận nhau trong thang sóng điện từ:

Đặc tính vật lý	Sóng vi ba / Milimet (Microwave)	Bức xạ Terahertz (THz)	Hồng ngoại xa / Trung (Infrared)
Dải tần số danh định	Từ 300 MHz đến 300 GHz	Từ 0,1 THz đến 10 THz	Từ 10 THz đến 400 THz
Dải bước sóng tương ứng	Từ 1 m đến 1 mm	Từ 3 mm đến 30 µm	Từ 30 µm đến 750 nm
Năng lượng photon	Dưới 1,24 meV	Từ 0,41 meV đến 41,4 meV	Từ 41,4 meV đến 1,65 eV
Khả năng đâm xuyên	Đâm xuyên rất tốt qua hầu hết vật liệu điện môi và lớp vật chất dày	Đâm xuyên qua giấy, nhựa, vải, gốm sứ nhưng bị nước hấp thụ mạnh	Đâm xuyên kém, chủ yếu tương tác bề mặt và hấp thụ nhiệt mạnh
Tương tác vật chất đặc trưng	Xoay phân tử nhỏ, kích thích dòng điện cảm ứng dẫn truyền	Dao động liên phân tử, dao động mạng tinh thể phonon và liên kết hydro	Dao động nội phân tử của các liên kết hóa học cộng hóa trị

Các ứng dụng tiêu biểu của công nghệ terahertz

Sự kết hợp giữa tính an toàn bức xạ không ion hóa, khả năng đâm xuyên vật liệu điện môi phi kim loại và độ nhạy phổ phân tử đã đưa terahertz trở thành công cụ đắc lực trong nhiều ngành khoa học và công nghệ hiện đại.

1. Quang phổ miền thời gian terahertz và phân tích vật liệu

Phương pháp quang phổ miền thời gian terahertz là kỹ thuật phân tích quang phổ tiên tiến bậc nhất. Theo hướng dẫn tổng quan của Neu & Schmuttenmaer (2018) trên tạp chí Journal of Applied Physics, hệ thống này ghi nhận trực tiếp dạng sóng điện trường biến thiên theo thời gian của xung terahertz sau khi truyền qua hoặc phản xạ từ mẫu vật.

Bằng cách thực hiện biến đổi Fourier đối với tín hiệu điện trường miền thời gian, các nhà nghiên cứu thu được đồng thời cả thông tin về biên độ và độ dịch pha của sóng. Từ đó, phần thực và phần ảo của chiết suất phức:

với $n(\omega)$ là chiết suất khúc xạ thực và $\kappa(\omega)$ là hệ số dập tắt hấp thụ tại tần số góc $\omega$, được tính toán trực tiếp mà không cần dựa vào các quan hệ gần đúng tích phân Kramers-Kronig phức tạp. Kỹ thuật này cho phép nhận diện dấu vân tay phổ phân tử của các hợp chất hóa học, thuốc nổ, dược phẩm và các đa hình thái tinh thể với độ chính xác cao.

2. Kiểm tra không phá hủy và an ninh công cộng

Nghiên cứu của Ferguson & Zhang (2002) trên tạp chí Nature Materials đã chứng minh tiềm năng vượt trội của sóng terahertz trong việc kiểm tra cấu trúc bên trong của các vật liệu phi kim loại. Sóng terahertz có thể xuyên qua lớp vỏ bọc bằng bìa carton, vải sợi, nhựa polyme tổng hợp và vật liệu composite mà không gây hại cho cấu trúc vật liệu hay gây nguy hiểm cho người vận hành.

Nhờ đặc tính này, các hệ thống ghi hình ảnh terahertz được ứng dụng rộng rãi trong các trạm kiểm soát an ninh hàng không để phát hiện vũ khí ẩn giấu dưới lớp trang phục, kiểm tra khuyết tật phân tách lớp trong vật liệu hàng không vũ trụ và kiểm định chất lượng bao gói sản phẩm trong ngành công nghiệp dược phẩm.

3. Mạng truyền thông không dây tốc độ siêu cao hướng tới 6G

Sự bùng nổ của lưu lượng dữ liệu toàn cầu đòi hỏi các dải tần số truyền thông mới có băng thông rộng hơn. Nghiên cứu của Nagatsuma, Ducournau & Renaud (2016) trên tạp chí Nature Photonics đã chỉ ra rằng việc kết hợp kỹ thuật quang tử học với ăng-ten terahertz cho phép hiện thực hóa các đường truyền dẫn không dây tốc độ cao vượt mức 100 Gbit/s.

Với độ rộng băng thông khả dụng lên tới hàng chục gigahertz, dải tần terahertz được xác định là công nghệ nền tảng sống còn cho mạng viễn thông thế hệ thứ 6 nhằm hỗ trợ các kết nối truyền dữ liệu siêu tốc, thực tế ảo tăng cường và liên lạc giữa các trung tâm tính toán hiệu năng cao.

Thách thức kỹ thuật và ranh giới áp dụng của bức xạ terahertz

Mặc dù sở hữu nhiều ưu điểm vượt bậc, việc thương mại hóa và mở rộng ứng dụng của công nghệ terahertz vẫn phải đối mặt với các ranh giới vật lý và kỹ thuật đáng kể:

• Sự hấp thụ mạnh của hơi nước và phân tử nước tự do: Nước lỏng có mômen lưỡng cực điện lớn và các liên kết hydro chuyển động liên tục, hấp thụ cực mạnh năng lượng sóng terahertz trong toàn bộ dải phổ. Do đó, sóng terahertz bị suy hao rất lớn khi truyền trong khí quyển ẩm ướt và không thể đâm xuyên sâu vào các mô sinh học chứa nhiều nước (độ sâu thâm nhập trong mô người thường dưới 1 mm).
• Công suất nguồn phát còn hạn chế: Các nguồn phát terahertz thể rắn hoạt động ở nhiệt độ phòng hiện nay vẫn có công suất bức xạ trung bình tương đối thấp (thường ở mức microwatt đến milliwatt), hạn chế phạm vi phủ sóng của các hệ thống viễn thông và khoảng cách quét của các thiết bị cảm biến.
• Chi phí chế tạo linh kiện: Việc sản xuất các hệ thống laser femtosecond, thấu kính quang học terahertz chuyên dụng và các vi mạch bán dẫn siêu cao tần đòi hỏi quy trình công nghệ phức tạp và giá thành cao, tạo rào cản cho việc phổ cập thiết bị rộng rãi.

Xu hướng phát triển công nghệ terahertz trong tương lai

Để vượt qua các rào cản công nghệ hiện hữu, các nhóm nghiên cứu vật lý và kỹ thuật điện tử trên thế giới đang tích cực tập trung vào các định hướng phát triển chiến lược:

• Vật liệu quang học siêu bề mặt và vật liệu hai chiều: Ứng dụng graphene, vật liệu cấu trúc nano và siêu bề mặt nhân tạo để chế tạo các bộ điều biến, phân cực và hội tụ chùm tia terahertz siêu mỏng với hiệu suất truyền qua cao.
• Tích hợp vi quang điện tử trên chip: Kết hợp nguồn phát, ống dẫn sóng và đầu thu terahertz lên cùng một đế bán dẫn silicon hoặc photphua indi nhằm thu nhỏ kích thước hệ thống xuống quy mô vi mạch và giảm mạnh chi phí sản xuất.
• Xử lý tín hiệu thông minh bằng trí tuệ nhân tạo: Kết hợp các thuật toán học máy và trí tuệ nhân tạo để lọc nhiễu, tái tạo hình ảnh siêu phân giải và nhận dạng tự động dấu vân tay phổ terahertz của các hợp chất phức tạp trong thời gian thực.