中国自主研制太赫兹探测设备首次在南极成功运行

中国自主研制太赫兹探测设备首次在南极成功运行由中国科学院紫金山天文台牵头的南极内陆太赫兹天文试观测和通信收发等实验，在中国第39次南极科学考察期间完成。这是中国自主研制的太赫兹探测设备首次在南极内陆极端环境下成功运行。据中新社星期一（3月13日）报道，科研人员介绍，中国南极昆仑站所在的冰穹A是地面太赫兹天文观测的优良台址，也是具有重要意义的科学考察地。中国第39次南极科学考察队于2022年10月先后从上海出发赴南极，并在时隔三年后再次派遣内陆队赴昆仑站、泰山站考察。紫金山天文台科研人员参加了此次南极内陆科学考察，并携带一套中国自主研发的南极太赫兹探测实验系统，其中包括太赫兹超导接收机、太赫兹信号源和小型高精度天线等自主研制的核心设备。科研人员分别在昆仑站和泰山站开展了太赫兹天文试观测和通信收发演示实验，首次实现中国自主研制太赫兹探测设备在南极内陆极端环境下的成功运行，并精确测定冰穹A地区0.5太赫兹波（THz）观测窗口大气透过率，进一步完善了前期太赫兹天文台址测量结果，对未来南极内陆太赫兹天文观测具有指导意义。这次实验还首次实现南极内陆地区公里级0.5太赫兹波（THz）频段太赫兹信号收发实验，为今后在南极深入开展下一代通信技术研究和实验验证奠定了基础。这次实验由中国科学院紫金山天文台和中国极地研究中心联合组织实施。相关工作得到中国国家自然科学基金委员会和中国科学院的支持，以及中国第39次南极科学考察队的通力协作。

麻省理工学院工程师利用量子点技术开发出低成本的太赫兹相机

麻省理工学院工程师利用量子点技术开发出低成本的太赫兹相机插图显示太赫兹照明（右上角的黄色曲线）进入新的相机系统，它刺激纳米级孔内的量子点（显示为照明环）发出可见光，然后使用基于CMOS的芯片（左下角）检测，就像数码相机中的那些。然而，设计检测和制作太赫兹波图像的设备一直是个挑战。因此，大多数现有的太赫兹设备是昂贵的，缓慢的，笨重的，并需要真空系统和极低的温度。现在，麻省理工学院、明尼苏达大学和三星公司的研究人员已经开发出一种新的相机，它可以快速检测太赫兹脉冲，具有高灵敏度，并且在室温和压力下。更重要的是，它可以同时实时捕捉到关于波的方向，或"偏振"的信息，而现有的设备无法做到。这种信息可以用来描述具有不对称分子的材料，或确定材料的表面细节。这个新系统使用被称为量子点的粒子。这些粒子最近被发现在受到太赫兹波的刺激时有能力发射出可见光。然后，这些可见光可以被一个类似于标准电子相机探测器的装置记录下来，甚至可以用肉眼看到。11月3日发表在《自然-纳米技术》杂志上的一篇论文描述了这一装置，作者是麻省理工学院的博士生史娇健、化学教授KeithNelson和其他12人。该团队制造了两种不同的装置，可以在室温下运行。一个是利用量子点将太赫兹脉冲转换为可见光的能力，使该装置能够产生材料的图像；另一个是产生显示太赫兹波偏振状态的图像。新的"照相机"由几层组成，采用像用于微芯片的标准制造技术制成。基板上有一排纳米级的平行金线，用窄缝隔开；上面是一层发光的量子点材料；上面是一个用于形成图像的CMOS芯片。偏振检测器使用类似的结构，但有纳米级的环形狭缝，这使得它能够检测到进入的光束的偏振。太赫兹辐射的光子具有极低的能量，这使得它们很难被检测到。因此，这个设备正在做的是将那小小的光子能量转化为易于用普通相机检测的可见物。在该团队的实验中，该设备能够在低强度水平上检测太赫兹脉冲，超过了今天大型和昂贵系统的能力。研究人员通过拍摄他们设备中使用的一些结构的太赫兹照明照片来证明该探测器的能力，例如纳米间隔的金线和用于偏振探测器的环形狭缝，证明了该系统的灵敏度和分辨率。一个CMOS相机被用来捕捉太赫兹光束的旋转。资料来源：研究人员提供开发一个实用的太赫兹相机需要一个产生太赫兹波以照亮一个物体的部件，以及另一个检测它们的部件。在后一点上，目前的太赫兹探测器要么非常慢，因为它们依赖于检测波冲击材料所产生的热量，而热量传播缓慢，要么它们使用相对较快的光电探测器，但灵敏度非常低。此外，直到现在，大多数方法都需要整个太赫兹探测器阵列，每个探测器产生一个像素的图像。问题在于每一个都相当昂贵，一旦他们开始被用来制造相机，探测器的成本就会开始迅速扩大。虽然研究人员说他们已经通过新的工作破解了太赫兹脉冲检测问题，但缺乏良好的源的问题仍然存在--而且世界各地的许多研究小组正在努力解决。尼尔森说，新研究中使用的太赫兹源是一个庞大而繁琐的激光器和光学设备阵列，不容易被扩展到实际应用中，但基于微电子技术的新源正在顺利开发中。论文的共同作者、明尼苏达大学电气和计算机工程系麦克奈特教授Sang-HyunOh补充说，虽然目前的太赫兹相机版本要花费数万美元，但该系统使用的CMOS相机的廉价特性使其"向建立实用的太赫兹相机迈进了一大步"。商业化的潜力促使制造CMOS相机芯片和量子点设备的三星公司合作开展这项研究。尼尔森说，这种波长的传统探测器在液氦温度（-452华氏度）下工作，这对于从背景噪声中挑出能量极低的太赫兹光子是必要的。这种新设备能够在室温下用传统的可见光相机检测并产生这些波长的图像，这一点出乎了从事太赫兹领域工作的人的意料。研究人员说，有许多途径可以进一步提高这种新相机的灵敏度，包括组件的进一步小型化和保护量子点的方法。他们说，即使在目前的检测水平上，该设备也可以有一些潜在的应用。在新设备的商业化潜力方面，Nelson说，量子点现在价格低廉，而且容易获得，目前被用于消费产品，如电视屏幕。相机设备的实际制造更加复杂，但也是基于现有的微电子技术。事实上，与现有的太赫兹探测器不同，整个太赫兹照相机芯片可以用今天的标准微芯片生产系统来制造，这意味着最终大规模生产这些设备应该是可能的，而且价格相对便宜。目前，尽管该相机系统离商业化还很远，但麻省理工学院的研究人员在需要快速检测太赫兹辐射时已经在使用这种新的实验室设备。"我们没有那些昂贵的相机，"纳尔逊说，"但是我们有很多这样的小设备。人们只需将其中一个插入光束中，用眼睛看一下可见光的发射，这样他们就知道太赫兹光束何时开启，这真的很方便。"虽然太赫兹波原则上可以用来探测一些天体物理现象，但这些来源将是极其微弱的，而且新设备无法捕捉这种微弱的信号，该团队正在努力提高其灵敏度。下一代的研究工作在于把所有东西都做得更小，它的灵敏度也会更高。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332689.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332689.htm

太赫兹波 - 阿尔茨海默病的一种新的潜在治疗方法

太赫兹波-阿尔茨海默病的一种新的潜在治疗方法在发表于《eLight》的一篇新论文中，北京大学张超教授领导的科学家团队开发出了一种独特的技术，利用特定频率来调节并尽量减少淀粉样沉积的发展。2018年有人猜想，生物神经信号的物理场可能是太赫兹（THz）到红外（IR）的高频电磁场。它最有可能在0.5至100太赫兹之间，被命名为广义太赫兹电磁波。一些生理过程已经得到证实，如DNA发夹的松解、电压门控钙通道的通透性以及电压门控K+的电流可以调节这些生理过程。研究发现，太赫兹波与分子群产生共振，并改变其中形成的氢键（H-bond）。此外，据报道，与纤维轴平行的分子间氢键网络是引导淀粉样纤维的关键。受此启发，如果能利用共振特征来调节自组装过程，避免不必要的蛋白质聚集，对于预防或减轻注意力缺失症的病理变化至关重要。早前的一项研究发现，通过自由电子激光实验和分子动力学（MD）模拟方法，1675cm-1（50.25THz）的光可以解离淀粉样蛋白纤维。a)细胞外β淀粉样蛋白沉积为神经斑块，细胞内高磷酸化tau堆积为神经纤维缠结，这仍然是诊断阿尔茨海默氏症的主要神经病理学特征。b)频率为34.88太赫兹的太赫兹波延迟了纤维化动态曲线。c)太赫兹波将聚集速度降低到无太赫兹波情况下的80%。资料来源：彭文宇、朱志、娄晶、陈坤、吴远明、常超由于生物液体在45-52.5太赫兹范围内具有很强的吸收能力，因此在该频率下存在明显的热效应。这导致生理环境中的调节效率必然会大大减弱。因此，探索抑制Aβ聚集过程的非热高效方法迫在眉睫。研究小组以淀粉样蛋白β（Aβ）为例开展研究。它并不声称Aβ在AD发病中起决定性作用，因此越来越多的研究开始强调tau蛋白的意义。淀粉样蛋白也有类似的动态聚集过程。目前还没有有效的药物可以抑制或缓解AD病理的恶化。这项研究旨在通过干预动态过程的光学手段来调节病理蛋白的构象。这项基于Aβ的研究可能会进一步应用于对开发联合疗法具有重要意义的tau蛋白。研究小组使用中心频率为34.88太赫兹（8.6微米）的量子级联激光器（QCL）照射Aβ1-42低聚物。他们通过硫黄素T（ThT）结合试验和傅立叶变换红外光谱仪监测纤维化过程。研究小组发现，与没有外部电场的小组相比，纤维化过程明显减慢。此外，还通过细胞活力和线粒体膜电位检测仪检测了这种频率对细胞水平的安全性。可以看到，细胞明显增殖，线粒体膜电位略有上升。这表明太赫兹波可能会对细胞功能产生积极影响。研究小组还发现，蛋白质的构象发生了显著变化，从规则有序结构转变为无序结构，具体而言，β片状结构转变为卷曲和弯曲区域。太赫兹波可能是延缓淀粉样蛋白纤维化过程的一种有前途的策略。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1376293.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1376293.htm

新的相机系统利用太赫兹波长实现更好的成像

新的相机系统利用太赫兹波长实现更好的成像它们可以穿透许多材料并捕捉新的细节水平，重要的是这种辐射是非电离的，这意味着它在用于人类时比X射线更安全。问题是，采集太赫兹波长的探测器可能很笨重、缓慢、昂贵，难以在实际条件下运行，或者是这些因素的某种组合。但是在一项新的研究中，麻省理工学院、三星公司和明尼苏达大学的研究人员开发了一个系统，可以快速、精确地检测太赫兹脉冲，并在常规室温和压力下进行。这个新系统的关键是所谓的量子点。最近的工作表明，这些微小的颗粒在受到太赫兹波的冲击时将发出可见光的荧光，然后可见光可以被传统的相机探测器捕获。由此产生的图像不仅可以检测到低强度的太赫兹脉冲，而且还有可能揭示出光束的偏振情况。该设备是由多层堆叠而成的。首先是一个由窄缝分隔的纳米级金线阵列，然后是一个量子点层。上面有一个传统的CMOS图像传感器，当量子点被传入的太赫兹波击中时，它可以捕捉到量子点发出的可见光。对于能够捕获光束偏振的探测器版本，水平狭缝被一层环形狭缝所取代。在测试中，该团队表示，新设备能够以远低于现有系统的强度水平采集太赫兹脉冲，同时也更小，制造成本更低。事实上，该设备的每一层都可以使用目前的微芯片制造技术来制造。最重要的是，目前的系统都无法捕捉到偏振现象。然而，在这项技术可能准备好进行商业化之前，仍有很多工作要做。特别是，该团队说，太赫兹辐射的来源仍然相当麻烦，但它们的复杂性在未来也可能会下降。成像并不是太赫兹辐射的唯一潜在用途--这些波长也准备在未来十年左右成为6G通信系统的基础。这项新研究发表在《自然-纳米技术》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1332009.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1332009.htm

科学家用光电谐振器带来蛋白质和材料的超快速电子表征

科学家用光电谐振器带来蛋白质和材料的超快速电子表征为了研究蛋白质--例如，在确定其生物作用机制时--研究人员需要了解样品中单个原子的运动。这很困难，不仅是因为原子是如此之小，而且还因为这种重新排列通常发生在皮秒，即万亿分之一秒。检查这些系统的一种方法是用超快的激光激发它们，然后立即用非常短的电子脉冲探测它们。根据电子在样品上的散射方式与激光和电子脉冲之间的延迟时间的关系，研究人员可以获得大量关于原子动态的信息。然而，表征初始电子脉冲是困难的，需要复杂的设置或高功率的太赫兹辐射。现在，筑波大学的一个研究小组利用一个光学谐振器来增强用晶体产生的太赫兹（THz）光脉冲的电场，这减少了表征电子脉冲持续时间所需的太赫兹光。太赫兹辐射指的是波长介于红外线和微波之间的光束。"对探测电子脉冲的精确表征是至关重要的，因为它持续的时间更长，而且与启动原子运动的激发激光束相比，通常更难控制，"共同作者YusukeArashida教授解释说。类似于一个具有正确声学的房间可以放大声音的感觉，一个谐振器可以增强波长与其大小和形状相匹配的太赫兹辐射的振幅。在这种情况下，该团队使用了一个蝴蝶形的谐振器，这是之前由一个独立研究小组设计的，用来集中脉冲的能量。通过模拟，他们发现电场增强集中在蝴蝶的"头"和"尾"的位置。他们发现，他们可以使用太赫兹条纹法测量电子脉冲持续时间，最高可达1皮秒以上。这种方法利用入射光线将电子脉冲沿垂直方向散开。在相机中形成一个"条纹"，时间信息现在被编码到所产生图像的空间分布中。高级作者MasakiHada教授说："使用电子脉冲的超快测量可以显示分子或材料的原子级结构动态，因为它们在被激光激发后会放松。"使用这种具有弱太赫兹场和几千伏/厘米强度的共振器被证明足以表征皮秒时间尺度的电子脉冲。这项工作可能会发展出对极短时间尺度的原子级运动进行更有效的检查，有可能有助于对生物分子或工业材料的研究。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1335997.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1335997.htm

未来太赫兹技术的意外之钥：气凝胶

未来太赫兹技术的意外之钥：气凝胶气凝胶是用水溶液制造的，不需要复杂的制造程序，因此很有希望以低成本实现大规模可持续生产。太赫兹波段的波长介于电磁波谱中的微波和红外线之间。它的频率非常高。因此，许多研究人员认为，太赫兹波段在太空探索、安全技术和通信系统等方面具有巨大的应用潜力。在医学成像方面，太赫兹还可以替代X射线检查，因为太赫兹波可以穿过大多数非导电材料，而不会损坏任何组织。气凝胶可通过简单的化学修饰获得高疏水性。资料来源：ThorBalkhed然而，在太赫兹信号得到广泛应用之前，还有一些技术障碍需要克服。例如，难以有效地产生太赫兹辐射，需要能够接收和调节太赫兹波传输的材料。太赫兹波调制技术取得突破林雪平大学（LinköpingUniversity）的研究人员现已开发出一种材料，其对太赫兹信号的吸收可通过氧化还原反应开启或关闭。这种材料是一种气凝胶，是世界上最轻的固体材料之一。"它就像是太赫兹光的可调滤波器。在一种状态下，电磁信号不会被吸收，而在另一种状态下，则可以被吸收。"林雪平大学有机电子实验室（LOE）的博士后陈尚志说："这种特性对于来自太空的远距离信号或雷达信号非常有用。"有机电子学实验室研究员林雪平的研究人员使用导电聚合物PEDOT:PSS和纤维素来制造气凝胶。他们在设计气凝胶时还考虑到了户外应用。它既能防水（疏水），又能通过阳光加热自然解冻。与其他用于制造可调材料的材料相比，导电聚合物具有许多优势。除其他优点外，导电聚合物还具有生物相容性、耐用性和极强的可调谐性。可调谐性来自于改变材料中电荷密度的能力。与其他类似材料相比，纤维素的最大优点是生产成本相对较低，而且是一种可再生材料，这对于可持续应用至关重要。LOE博士后匡朝阳说："太赫兹波在较宽频率范围内的传输可在约13%到91%之间调节，这是一个非常大的调制范围。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1415755.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1415755.htm