來源：Research科學(xué)研究

近年來，納米技術(shù)的飛速發(fā)展為太赫茲（THz）技術(shù)帶來了革命性的突破。太赫茲波，介于微波和紅外之間的電磁頻譜區(qū)域，因其獨特的穿透性和分子振動敏感性，在光譜學(xué)、成像、通信和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，如何高效生成、調(diào)制并應(yīng)用太赫茲波，一直是該領(lǐng)域的研究熱點及難點。近日，新加坡國立大學(xué)仇成偉聯(lián)合中國計量大學(xué)太赫茲研究所金中薇、束方洲、洪治教授以及軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院婁菁，共同探討并闡述了納米工程太赫茲技術(shù)的最新進展。相關(guān)文章以“Advances in Nanoengineered Terahertz Technology: Generation, Modulation, and Bio-Applications”為題發(fā)表在Research上。

研究背景

太赫茲技術(shù)，作為電磁波譜中介于微波和紅外之間的關(guān)鍵頻段，近年來在光譜學(xué)、成像、高速通信和生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，傳統(tǒng)的太赫茲設(shè)備往往體積較大、效率較低，限制了其在實際應(yīng)用中的廣泛推廣。隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，納米工程為太赫茲技術(shù)帶來了革命性的突破。通過微納結(jié)構(gòu)的精確設(shè)計，如納米厚度的異質(zhì)結(jié)構(gòu)、超表面結(jié)構(gòu)，以及兩者結(jié)合的混合系統(tǒng)，研究人員能夠以前所未有的方式控制太赫茲波的生成和調(diào)制，從而大幅提升了太赫茲光譜學(xué)、成像以及其在生物物理學(xué)應(yīng)用方面的性能。

研究進展

這篇綜述文章詳細(xì)探討了納米工程太赫茲技術(shù)的最新進展，涵蓋了太赫茲波的生成、調(diào)制及其在生物物理學(xué)應(yīng)用中的創(chuàng)新。首先，文章介紹了基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)、超表面以及其混合系統(tǒng)的太赫茲波生成技術(shù)。通過自旋電子學(xué)效應(yīng)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠高效產(chǎn)生寬帶太赫茲輻射。超表面則通過局域電磁場增強非線性過程，進而在驅(qū)動太赫茲波生成的同時實現(xiàn)對太赫茲波的波前調(diào)控。此外，混合系統(tǒng)結(jié)合了異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超表面的優(yōu)勢，進一步提升了太赫茲波的生成效率和靈活性（圖1）。

圖1基于超表面的太赫茲信號生成與波前調(diào)控

在太赫茲波調(diào)制方面，文章總結(jié)了基于振幅、相位和偏振調(diào)制的均勻調(diào)制技術(shù)以及空間光調(diào)制器。其中，基于太赫茲超表面的空間光調(diào)制器，通過獨立調(diào)諧超表面單元結(jié)構(gòu)的振幅或相位能夠?qū)崿F(xiàn)對太赫茲波的實時、獨立控制，為太赫茲通信、波前整形、成像等提供了新的工具。此外，通過將超表面與可調(diào)材料（如相變材料、液晶等）結(jié)合，可實現(xiàn)太赫茲波的動態(tài)調(diào)制（圖2）。

圖2基于太赫茲超表面的空間光調(diào)制器

近年來，太赫茲生物傳感和生物功能技術(shù)也取得了令人振奮的進展。文章聚焦于物理學(xué)與生物學(xué)的交叉領(lǐng)域，詳細(xì)追蹤了基于太赫茲光子學(xué)的生物分析物檢測和生物功能調(diào)控的相關(guān)應(yīng)用。太赫茲波能夠與生物分子的振動和旋轉(zhuǎn)模式相互作用，從而實現(xiàn)無標(biāo)記的生物傳感。通過超表面增強的折射率傳感和表面增強紅外吸收（SEIRA）技術(shù)，研究人員能夠檢測極低濃度的生物分子，甚至區(qū)分癌細(xì)胞亞型。此外，太赫茲波還被用于調(diào)控生物功能，如加速DNA解旋、增強離子通道通透性以及調(diào)控神經(jīng)元信號傳導(dǎo)，為神經(jīng)科學(xué)和醫(yī)學(xué)治療提供了新的工具（圖3）。

圖3太赫茲調(diào)控生物功能

未來展望

盡管納米工程太赫茲技術(shù)取得了顯著進展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，太赫茲波的生成效率、帶寬和操控靈活性之間的平衡仍需進一步探索及優(yōu)化。其次，超表面的復(fù)雜制備工藝和高成本限制了其大規(guī)模應(yīng)用。太赫茲波調(diào)制已取得顯著進展，實現(xiàn)了在寬帶范圍內(nèi)的高速調(diào)制，但要保持低損耗仍然困難。在生物應(yīng)用中，主要障礙包括如何在非常低的濃度（通常低于pg/ml）下實現(xiàn)高靈敏度的生物傳感，同時確保檢測的特異性和準(zhǔn)確性。此外，如何進一步探索THz波的非熱生物效應(yīng)并開展實際應(yīng)用仍是一個未解決的難題。

這篇綜述不僅為研究人員提供了全面的技術(shù)參考，也為未來的技術(shù)創(chuàng)新指明了方向，展示了納米工程太赫茲技術(shù)在多個領(lǐng)域的廣闊前景。

作者簡介

仇成偉教授 現(xiàn)任新加坡國立大學(xué)院長講席教授（Provost’s Chair Professor），是新加坡工程院院士（SAEng）以及美國物理學(xué)會（APS）、國際光學(xué)工程學(xué)會（Optica）、國際光學(xué)與光子學(xué)學(xué)會（SPIE）以及美國電磁學(xué)學(xué)會（The Electromagnetics Academy）會士。同時，他也是中國光學(xué)學(xué)會的外籍會士，以及東盟工程與技術(shù)科學(xué)院（ASEAN Academy of Engineering and Technology）的會士。仇成偉教授以其在結(jié)構(gòu)光和超表面領(lǐng)域的研究而聞名。