太赫兹光电子学丨iScience特刊

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本期iScience特刊旨在分享太赫兹光电子学在材料、物理、光谱学等领域中有影响力的前沿研究。太赫兹辐射一般认为是频率介于0.3-10 THz范围的辐射，由于其在医学诊断和生物学光谱成像、宽带通信、安全、国防和无损检测方面具有潜在优势，引发了人们极大的研究兴趣。作为电子学与光子学之间的过渡频段，太赫兹辐射已成为一个重要的研究领域，并展示出独特的优势。在此，我们特邀来自中国北京航空航天大学的吴晓君教授和南洋理工大学新加坡分校的Ranjan Singh教授，和大家一起探讨太赫兹光电子学相关的热点知识和开放性问题。

高效自旋太赫兹辐射源的光学损伤极限

太赫兹脉冲是由飞秒脉冲激发的铁磁/非磁自旋电子异质结构，由反自旋霍尔效应产生。自旋电子太赫兹发射器发射信号的最高可能强度受限于相应异质结构在激发波长处的光学损伤阈值。对于厚度优化的自旋电子异质结构，其太赫兹产生效率即使在光通量达到损伤阈值时仍未达到饱和状态。本文中，来自印度理工学院Sunil Kumar教授团队使用800nm亚50 fs放大激光脉冲，研究了双层(Fe,CoFeB)/(Pt,Ta)基铁磁/非磁(FM/NM)自旋电子异质结构的最优性能。作者发现CoFeB/Pt是高效太赫兹源的最佳组合。在优化的FM/NM自旋电子异质结构中，作为非磁性层的α相Ta显示出比使用Pt作为非磁性层更高的损伤阈值，并与产生效率无关。石英衬底上Fe/Ta异质结构的损伤阈值可达∼85 GW/cm2。

深度学习助力太赫兹成像技术检测蚕卵发育阶段

太赫兹(THz)技术为下一代高速无线通信、无损检测、食品安全检测和医疗应用奠定了基础。太赫兹技术与人工智能(AI)相整合，相信在不久的未来，就可实现太赫兹技术从实验室研究阶段到实际工业应用的转变。北京航空航天大学吴晓君教授团队利用太赫兹视频成像技术，深入地探究了蚕卵的内部形态。深度学习算法结合太赫兹蚕卵图像，成功实现了蚕卵发育阶段的快速识别，识别精度达∼98.5%。研究人员通过整合光学成像和太赫兹成像，将蚕卵发育阶段的AI识别准确性提高至∼99.2%。文中所提出的太赫兹成像技术不仅具有其固有优势，而且具备人工智能耗时少、识别精度高等优点，可推广到其他应用场景。

太赫兹辐射增强神经元突触传递和少突胶质细胞分化

太赫兹(THz)是位于红外和微波之间的电磁辐射频率。太赫兹应用的最新进展激励了人们探索其在生物领域的应用。本文中，解放军第四军医大学武胜昔教授团队发现单频太赫兹激光照射小鼠皮层神经元培养物，可增强兴奋性突触传递和神经元放电活动。微阵列分析揭示了太赫兹波照射后的基因表达动态学，发现与形态学和电生理学结果一致。此外，研究人员发现，一定时间的太赫兹辐射可抑制少突胶质细胞前体细胞的增殖，促进其分化。值得注意的是，经太赫兹辐照后，髓鞘形成过程增强。研究结果表明，由于不同细胞对太赫兹的敏感性不同，因此太赫兹辐射可以实现对不同神经元细胞功能的调节。研究人员在本文中对控制太赫兹与神经系统相互作用的机制进行了阐释，并建议将太赫兹波作为神经调节的新手段。

太赫兹技术在神经科学中的现状与展望

太赫兹(THz)波在电磁频谱中介于微波和红外区域之间。太赫兹技术在生物医学领域具有广阔的应用前景。太赫兹波生物效应的研究已成为生命科学中一个重要领域。因此，揭示太赫兹波对复杂生物体系的影响，对太赫兹技术的发展和应用至关重要。相关研究表明，太赫兹辐射已被证明会影响神经系统，包括神经细胞膜的结构、基因表达和细胞因子水平。在这篇综述中，大连医科大学乐卫东课题组从生物体、细胞和分子水平讨论了太赫兹波对神经系统的生物学影响和机制机理，并展望了太赫兹技术在神经科学中的应用前景。

理论模拟研究太赫兹波对钙通道中钙离子转运的影响

太赫兹(THz)波能否能与神经细胞通道中的离子相互作用并引发进一步反应，是人们关注的热点问题。为了回答这个问题，电子科技大学宫玉彬教授团队通过布朗动力学（BD）模拟求解数学物理模型，研究了Ca2+在钙通道中运动产生的自发辐射以及太赫兹辐射对Ca2+传输的影响。结果表明，钙通道中移动的Ca2+能够产生电磁辐射，相应的光谱集中在太赫兹范围内。同时，作者发现，通道中的离子数和背底温度都对自发辐射谱有显著影响。研究还表明，外部太赫兹辐射可以加速Ca2+在离子通道的传输。研究结果为将来太赫兹波技术用于神经领域治疗，提供了理论依据。

Ti2O3薄膜光热转换：调谐太赫兹波新策略

太赫兹波的动态调谐对于下一代太赫兹器件的发展至关重要。利用太阳能调谐太赫兹波是拓展太赫兹应用的一种有前景、环保且可持续的策略。具有0.1 eV超窄禁带的Ti2O3，表现出有趣的热诱导金属-绝缘体转变(MIT)现象，并具有优异的光热转换效率。本文中，四川大学黄婉霞教授团队通过两步磁控溅射方法制备Ti2O3薄膜，光热转换效率高达90.45%，并且在0.1–1 THz的宽带范围内，表现出与温度相关的太赫兹传输特性。研究人员认为，如果将Ti2O3薄膜的光热转换特性与温度相关的太赫兹传输特性相结合，就能够引入太阳光作为调谐太赫兹波的能量来源。此项研究工作为研究Ti2O3在太赫兹区的MIT特性提供新的视角，并展示出调谐太赫兹波应用于户外场景中的巨大潜力。

环磁感应透明超材料的研究及应用

环磁共振作为低损耗光子器件的一种新型电磁激励机制，具有重要的研究意义。环磁激励具有高品质因数和窄共振线宽，在超材料(MM)器件中有着广泛的应用。印度理工学院古瓦哈提分校Angana Bhattacharya教授团队通过将环磁偶极共振与传统的电/磁共振相耦合，开发了一种电磁感应透明效应(EIT)的超材料。环磁感应产生的EIT显示出有趣的特性，比如透明窗口中的陡峭线性色散现象，而这通常会造成材料群折射率升高。本文综述了环磁共振的发展历程、特性、以及在超材料中的识别和应用。此外，还讨论了环磁偶极子基超材料中单频和多频EIT效应的大量理论、实验证明以及相关应用。作者提出，基于环磁效应产生EIT将在生物分子传感、慢光系统、开关和折射率传感等领域有着广阔的应用前景。

太赫兹辅助硅基偶次谐波产生

当偏压电场/光场应用于像硅这样的中心对称晶体时，对称性的破坏会产生偶数阶谐波辐射，从而可对材料内部进行观察。近年研究表明，二次谐波可由太赫兹引起的对称性破缺产生，但对于高阶辐射的观测仍有待探索。中国科学院上海光学精密机械研究所田野教授团队利用500 kV/cm的太赫兹(THz)强电场对硅晶体进行皮秒级超快、非破坏性对称调控，首次在红外探针上观测到由太赫兹辐射引发的四次谐波，并对其进行了表征。此外，团队发现偶数阶谐波不依赖于太赫兹场的方向，使得次循环对称调控成为可能。此项研究为未来高速电子学和光子学中的超快全光晶体对称性控制铺平了道路。

结合水分子对L-精氨酸分子太赫兹光谱的影响

大多数生物分子只有在水中才具有生物活性，因此，生物分子的太赫兹光谱是否受水分子与生物分子结合的影响具有研究意义。本文中，西安理工大学侯磊教授团队将样品池与太赫兹TDS系统相结合，测量了L-精氨酸晶体及其水合物和水溶液的太赫兹光谱。实验结果表明，L-精氨酸晶体及其水合物分别在0.99、1.46和1.7 THz处产生三个相同的吸收峰，但L-精氨酸溶液特征吸收光谱的变化趋势几乎与游离水光谱行为相同。由于许多病变组织和正常组织中游离水和水合水的含量不同，因此可以根据太赫兹光谱信息的差异来检测病变组织。该方法为检测活性分子和组织的病理变化提供了新的方向。

重构太赫兹超材料：从基本原理到先进6G应用

从0.1 THz到10 THz的电磁频谱已成为第六代(6G)应用的关键，如高速通信、指纹化学传感、无损生物传感以及生物成像。然而，天然材料对太赫兹波的有限响应阻碍了太赫兹功能性材料的发展，造成了这一电磁波段功能化材料的空缺。超材料是一种人工合成的结构，可以通过设计材料的电磁特性来调控太赫兹波，使得众多太赫兹器件的开发成为可能，人们称之为“超器件”。此外，通过使用微机电系统(MEMS)技术的调谐结构，以及包括相变材料(PCM)、电光材料(EOM)和热光材料(TOM)在内的可调谐材料，能够赋予太赫兹超器件可调谐性。大量研究工作表明，利用各种调谐机制和超材料，可以填补太赫兹功能器件在6G应用中的空白。本文中，新加坡国立大学Chengkuo Lee教授阐述了从超材料共振系统的基本原理到功能性太赫兹超材料器件的设计及应用。此外，作者对太赫兹光子器件的未来发展提出了展望。

0.1 THz连续波辐射促进小分子跨膜转运

近年来，太赫兹(THz)辐射产生的生物效应备受人们关注。西安交通大学卢晓云教授团队致力于研究太赫兹辐射对细胞膜，尤其是细胞膜通透性的影响。研究团队发现，0.1 THz辐射能够促进FM4-64标记细胞的内吞作用，同时在不完全消除太赫兹促进的内吞作用的同时，可以对动力蛋白的功能减弱起到抑制作用。此外，共聚焦显微镜观察和蛋白印迹试验表明，0.1 THz辐照也可促进了罗丹明以及化合物GDC0941和H89的跨膜行为。研究结果表明，0.1 THz辐射通过促进细胞内吞和扩散过程，提高小分子的跨膜转运。此项研究为太赫兹对细胞膜通透性的影响提供了直接证据，拓宽了太赫兹对细胞生理过程的影响范畴，展望了太赫兹在调节细胞膜功能方面的潜在应用。

混合谐振腔：相工程制备太赫兹超表面新策略

耦合谐振腔可实现强光子能量限域，促进功能性光子器件小型化，可用于传感器、调制器、耦合器、波导、滤色片等器件的设计。通常，亚波长等离激元腔中的共振依赖于特定相位匹配条件下表面等离激元的激发，并且与晶格参数和组成材料息息相关。然而，印度Mahindra大学Dibakar Roy Chowdhury教授团队从实验上证明了在不改变晶格参数的情况下，通过适当修改混合等离子体超表面开口谐振环构型，能够实现对腔共振的调控。作者在实验中获得了双共振峰的激发。这种具有高质量(Q)因子、多波段共振的双通道特性，通常是典型（非杂化）等离激元偶极腔中不允许发生的现象。作者推测，这种混合超腔结构的设计可以成为未来太赫兹器件的重要组成部分，并且可在第六代(6G)通信、设计滤波器、双通道传感器的发展中发挥关键作用。

纳米探针研究石墨烯-银纳米线表面的有效太赫兹屏蔽特性

在太赫兹(THz)电磁波领域，对太赫兹波的屏蔽是一个重要课题，近年来在通信和安全领域备受关注。基于此，碳基纳米结构/聚合物-碳纳米复合材料获得广泛的探索。韩国科学技术研究院Minah Seo教授团队通过在银纳米线表面涂覆还原氧化石墨烯(rGO)和纳米级太赫兹超材料，探究材料对太赫兹波屏蔽效率。相较于未使用纳米级超材料的情况，含有纳米级超材料的屏蔽效率显著提高。作者通过使用在特定频率下具有强共振的纳米图案超材料，将太赫兹传输强度提高了三个数量级。纳米图案对太赫兹波的强传送大大提高了对外部太赫兹波的屏蔽作用。同时，作者使用纳米探针对过程中屏蔽机理进行了研究。

电热调谐太赫兹十字形超材料的光逻辑特性研究

本文中，中山大学林佑昇教授团队开发并设计了一种超材料，通过集成微机电系统(MEMS)、电热执行器(ETA)平台以及十字形超材料(CSM)来执行光逻辑功能特性。通过在ETA上驱动不同的直流偏压来改善柔性基板的限制，实现了CSM重构和拉伸机制。CSM的光学响应可通过电信号输入进行调节。通过驱动0.20 V直流偏压，获得了CSM 0.54 THz的调谐范围，并显示出完美的零传输特性。此外，CSM的“XNOR”逻辑门功能可在1.20 THz条件下实现，在全光逻辑网络通信系统中起着关键作用。作者在文中提出，基于MEMS的CSM在逻辑运算、信号调制、光开关、太赫兹成像等方面具有潜在的应用前景。

固液态葡萄糖和两种双糖的太赫兹光谱特性研究

大多数生物大分子的振动和旋转频率都在太赫兹（THz）波段内，因此，太赫兹波具有很强的生物分辨能力。糖是重要的有机物质，是维持生命活动的主要能量来源。首都师范大学苏波教授等人在0.1-2.5 Thz频率范围内，通过太赫兹时域光谱测量了固态D-葡萄糖、α-乳糖水合物和β-麦芽糖水合物的光谱特性。利用固体密度泛函理论对这三种糖的晶体构型进行了模拟，实验结果与模拟结果吻合较好。此外，还测定了三种糖在溶液中的光谱特性，发现每种糖都具有独特的光谱特性，并且同一物质在固态和水溶液中的太赫兹吸收光谱之间存在相关性。

利用飞秒激光与金属箔的强相互作用高效产生GV/m级太赫兹脉冲

超强激光等离子体产生的太赫兹辐射是一种很有前途的强太赫兹辐射源，近年来引起了人们的广泛关注。本文中，中科院物理研究所李玉同研究员等人通过使用10-TW飞秒激光脉冲照射金属箔背面，高效产生毫焦耳级太赫兹脉冲。研究人员通过阐述太赫兹和电子发射特性，结合粒子模拟，讨论了产生太赫兹的物理原因。同时，半导体中太赫兹强场驱动非线性实验证明，产生的太赫兹聚焦电场强度可达2 GV/m以上。

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原标题：《太赫兹光电子学 | iScience特刊》

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