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「太赫茲波」一個多數人都很陌生的名詞,它卻一直存在我們身邊,處處影響我們的生活。簡言之,太赫茲波係包含了頻率為0.3到3THz的電磁波,最早被運用到海關安檢,後又運用在天文望遠鏡,以獲取更清晰的影像,更被運用在軍事雷達,因其強大的穿透性而達搜敵的目的。它更運用在精準的醫學掃描,而在未來的5G和6G通訊時代,更少不了太赫茲波。此外,它更是身體保健的利器。

■文、圖/張若


太赫茲波亦稱兆赫輻射,又稱兆赫茲或THz波(包含了頻率為0.3到3THz的電磁波。赫茲(符號:Hz)是頻率的國際單位制單位,表示每一秒週期性事件發生的次數。赫茲是以首位用實驗驗證電磁波存在的科學家海因里希•赫茲命名,常用於描述正弦波、樂音、無線電通訊以及電腦時鐘頻率等。

全球掀起一股THz研究熱

太赫茲波(0.3到3THz)此頻段屬遠紅外線,高於微波波段的頻率,對應的波長範圍從1mm到0.1mm(或100μm),所以也叫作「亞毫米波段」。而我們一般熟知的遠紅外線(Far Infrared,縮寫FIR),一般是指光譜上位於15~1000µm區域的光波,屬於紅外線的波長範圍。位於可見光光譜紅色光的外側,為不可見光。不同學界對於遠紅外線的範圍定義常常不同,例如,天文學上常定義遠紅外線為波長25µm~350µm之間的電磁波。生物體可以透過「熱」的型式,感受其存在。



目前,國際上對兆赫茲輻射已達成如下共識,即兆赫茲是一種新的、有很多獨特優點的輻射源。它之所以能夠引起人們廣泛的關注、有如此之多的應用,首先是因為物質的兆赫茲光譜(包括透射譜和反射譜)包含著非常豐富的物理和化學信息,所以研究物質在該波段的光譜對於物質結構的探索具有重要意義;其次是因為兆赫茲脈衝光源與傳統光源相比具有很多獨特的性質。

實際上,早在一百年前,就有科學工作者接觸過這一波段。在1896年和1897年,盧本斯Rubens和尼可拉Nichols兩位科學家就涉及到這一波段,紅外光譜到達9um(0.009mm)和20um(0.02mm),之後又有到達50um的記載。之後的近百年時間,遠紅外技術取得了許多成果,並且已經產業化。但是涉及兆赫茲波段的研究結果和數據非常少,主要是受到有效兆赫茲產生源和靈敏探測器的限制,因此這一波段也被稱為THz間隙。隨著80年代一系列新技術、新材料的發展,特別是超快技術的發展,使得獲得寬帶穩定的脈衝THz源成為一種準常規技術,THz技術得以迅速發展,並在實際範圍內掀起一股THz研究熱潮。

由於太赫茲波穿透力強,但能量卻很小,不會造成人體傷害,史蒂分Steven W Smith博士於1992年發明人體掃描安檢儀,以取代恐對人體有傷害之虞的X光掃描安檢儀。2007年5月16日首次應用於荷蘭阿姆斯特丹史基普機場。它利用微波反射技術(millimetre wave reflection technology)掃描通過的人體,以得知是否有攜帶違禁物品的機場安全檢查設備。人體掃描儀器可以透視機場旅客的衣服,直視人體外表,及其貼身物件。雖然有人質疑人體掃描儀器侵害個人隱私,不過在試驗初期,人體掃描儀器是自願的選擇。旅客仍然可以選擇舊式的金屬探測器進行安檢。

2019年,美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)Samueli工程學院的研究人員開發出了一種超靈敏的光探測系統,可以使天文學家能夠仔細地觀察星系、恆星和行星系統。這一新型傳感器系統,能夠檢測電磁波譜太赫茲波段中的輻射,其中包括遠紅外和微波頻段。它可以產生超高清晰度的圖像,並且可以檢測寬光譜範圍內的太赫茲波。據報導,它比目前僅在窄光譜範圍內探測此類波的技術光譜範圍擴大了10倍。

更重要的是頻率THz的電磁波,屬於「遠紅外線(FIR:Far Infrared)」的一種,其諧振效率更高,傳遞的訊息將更多,也更快,於是成為未來6G通訊時代要使用的電磁波。



迎接量子醫學的時代

但太赫茲對人類生活影響最鉅的恐是即將到來的量子醫學時代!何謂量子醫學?係透過量子超速檢測儀精密的檢測,找出人體所有生理失調或疾病發生的原因。再根據檢測結果,規劃、調配體內欠缺的營養素,以恢復身體各項機能的平衡,提昇自癒功能,增強免疫力,對抗疾病。

量子醫學又可稱「精準醫學」,這個名詞被提及至今十多年,2015年歐巴馬於演講當中提出精準醫學計畫,更是將精準醫學掀起全球熱潮,開啟醫療新商機,全球藥廠及科學家紛紛投入精準醫學研究領域,讓疾病治療可以達到個人化對症下藥,有效提升治癒率。精準醫學策略有很多種,例如基因治療、標靶治療等。未來醫學將走向更微觀、精準的量子醫學時代。

曾擔任長庚醫學院院長,現為中山醫學大學醫學研究所講座教授的心臟科權威醫師李英雄,專精於精準醫學之研究。什麼是量子?簡單來說就是比原子還小的東西就叫量子,比如說光子和質子都可稱為量子,所以X光治療、質子治療也都屬於量子醫學的一種,而所謂量子生物能量體學是建立於生物能量學、放射基因體學、量子力學三合一整合科學,是以量子層面進行標靶診斷測試的標靶治療組合,過去醫界利用電磁波做醫學診療,現在則是進入到利用電場來克服疾病。

以色列科學家Yoram Palti提出一個假說,假設中頻範圍內的交流電場可破壞癌細胞分裂並且促使癌細胞死亡,在經過Yoram Palti實驗之後,證明這樣的發想是可行的,利用頻率範圍為100-300kHz的電場,將穿透快速分裂的癌細胞並破壞細胞結構,讓細胞帶有電荷的分子發生結構上組合的改變,導致癌細胞凋零死亡,並且不會傷害到正常細胞。



以電場的觀念應用於疾病治療,為生物醫學研究提供一個嶄新的方向,目前研究發現電場可以抑制細胞修補作用及抑制DNA損傷修復,達到殺死癌細胞的目標,並且也有損害細胞遷移和侵襲,阻止癌細胞轉移,以及也會增加自噬作用的表現量。

精準醫學的發展為許多頑固、難治的疾病找到新治療策略,嘉惠許多患者,帶來一線生機,李英雄表示,精準醫學是「十年磨一劍」,為醫學治療開創新局,而量子醫學更是未來發展新趨勢,目前量子醫學已有相關產品獲得美國FDA核准,相信在不久的將來,量子醫學應用將會蓬勃發展。

太赫茲波係電磁波的一種,波長略長於遠紅外線,可以說是超級遠紅外線。它有光的性質,比遠紅外線具有較強的滲透力,可慘透到更深層的皮膚,影響身體裡面。在生理上的意義包括:可諧振人體內水分子使之成為小分子水,更利於營養的吸收和代謝。還可以提高人體的基礎體溫,促進氣血循環!

至於太赫茲波如何產生?電機博士張富雄指出,除了大自然界存在某些礦石中會發出太赫茲波之外,還可以藉由人工方式產生,其中包括:一、光導天線─主要機理是光導天線在光脈衝的照射下產生載流子,並在電場作用下加速運動,在表面產生瞬態電流,進而輻射太赫茲電磁波,其特點是具有較高的輸出能量。



半導體太赫茲運用廣

二、光整流法─利用非線性的光整流效應,促使兩個光束或者一個高強度的單色光束在介質中傳播時產生差頻或和頻振盪,其特點是可以實現太赫茲超寬帶輸出,但是輸出能量相對不高。三、空氣等離子法─空氣等離子法的原理是利用雷射聚焦擊穿空氣產生太赫茲輻射。四、半導體表面─對於某些寬帶隙的半導體材料,由於表面和內部的「費米能級(固體物理學中的一個概念)」不一致,會形成表面電場。在這個電場作用下,被雷射激發的載流子會形成瞬態電流,從而形成太赫茲輻射。這種方式的特點是簡單易操作,但輻射功率較低。

半導體表面產生的太赫茲技術,現今已普遍運用在保健產品上,包括氫水機、助眠床墊和枕頭、能量梳和蓮蓬頭,乃至化妝保養品上,和我們的生活息息相關!