
Fundamental Research 2025年第2期正式在线出版,本期发表了“管理供应链韧性与安全”和“先进太赫兹科学与技术”两个专题。另外发表数学物理、化学化工、生命科学、地球科学、工程与材料科学、信息科学、管理科学、健康与医学领域文章25篇。
“先进太赫兹科学与技术”专题客座主编为胡光维教授和朱亦鸣教授,共收录7篇论文,其中包括4篇综述和3篇原创研究。本专题作者包括张亮亮、马建军、吴柯、彭滟、赵红卫、范飞、何元源等专家。
欢迎广大科研工作者阅读、下载、引用!本期网址为:https://www.sciencedirect.com/journal/fundamental-research/vol/5/issue/2
Fundamental Research
2025年第5卷第2期封面
Special Topic: Advanced Terahertz Sciences and Technologies
Editorial
Emerging terahertz sciences and technologies
新兴的太赫兹科学和技术
Chao Chang, Guangwei Hu, Yimin Zhu
神奇的太赫兹技术:现状与未来
在科学技术的奇妙版图中,太赫兹技术正散发着独特魅力,吸引众多科研人员的目光。太赫兹频段,就像是一把神奇的钥匙,为高速通信、人体安检、生物成像等多个领域,打开了一扇扇新的大门。
太赫兹:科研界的多面手
太赫兹的频率与蛋白质、DNA等生物分子振动和转动的特征频率相重叠。打个比方,它就像一把精准的“手术刀”,能够与生物样本发生共振相互作用。2021年诺贝尔医学奖表彰的,正是发现感知温度和压力离子通道的研究。而科学家们发现,太赫兹频段的特定频率被吸收后,能调节生物分子,尤其是离子通道,这为生物医学研究开辟了新思路。
在通信领域,随着全球移动数据呈爆炸式增长,太赫兹频段的高速调制,有望助力6G无线通信与大容量计算领域实现飞跃,满足人们对高速、稳定网络的需求。
应用潜力巨大,但挑战重重
尽管太赫兹技术前景广阔,可它目前仍处于起步阶段。高效高功率的太赫兹源、高灵敏度探测器与传感器的研发,高速传输和调制技术的实现,以及生物医学新机制的探索,都是亟待解决的难题。可以说,太赫兹产生和探测技术,已成为限制该技术大规模应用的瓶颈。
全球科学家的探索成果
为了攻克这些难题,全球科研人员不懈努力,在多个方向上取得了不少成果。
张希成院士和团队回顾了太赫兹时域光谱中相干探测的进展,强调其在激光与物质相互作用研究中的重要性;IEEE会士丹·米特尔曼及其同事深入分析了太赫兹信道传播特性和通信安全问题,为未来应用提供理论支撑;吴柯院士团队研究了适用于太赫兹无线系统的波束扫描天线,提出多种解决方案;庄松林院士团队则围绕生物传感器展开研究,分析了其在多场景应用的潜力。
除了理论研究,科研人员还将太赫兹技术应用到实际场景中。赵等人利用太赫兹触发解偶联作用,成功分离受体蛋白周围的配体分子;范等人借助三通道金属波导内的马赫-曾德尔干涉仪,构建了太赫兹游标生物传感器;贺等人引入太赫兹光神经调制,为抑郁症治疗提供新方法,有望打破传统药物治疗的局限。
太赫兹技术就像一颗正在孕育的新星,虽然目前还面临不少挑战,但凭借科研人员的不懈探索,未来必将在更多领域绽放光芒,为人类生活带来巨大改变 。
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Fundamental Research 2025, 5(2): 514-515
https://doi.org/10.1016/j.fmre.2024.12.003
Review
Coherent detection of pulsed terahertz waves in solid, gaseous, and liquid media
从固态、气态到液态:太赫兹波相干探测的全物质形态探索
Guoyang Wang, Ruoxi Wu, Liangliang Zhang, Cunlin Zhang, X.-C. Zhang
太赫兹波相干探测同时获得太赫兹脉冲的振幅和相位信息,是太赫兹时域光谱技术的基础,可以研究各种材料在0.1到10 THz频率范围内的复介电特性。本文综述了太赫兹波相干探测技术的最新进展,分析了基于固体、气体和液体介质的探测原理和所面临的挑战,强调了相干探测在激光与物质相互作用研究领域的关键角色,展望了太赫兹液体光子学的发展潜力和前景。
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Fundamental Research 2025, 5(2): 516-525
https://doi.org/10.1016/j.fmre.2024.08.003
Review
Terahertz Channels in Atmospheric Conditions: Propagation Characteristics and Security Performance
气象条件对太赫兹通信的影响:传播特性和安全性能
Jianjun Ma, Yuheng Song, Mingxia Zhang, Guohao Liu, Weiming Li, John F. Federici, Daniel M. Mittleman
本文聚焦于气象条件对太赫兹通信的影响综述。太赫兹通信被视为未来6G网络的关键技术,能够支持超高速数据传输和低时延需求。然而,气象环境变化,会显著影响太赫兹信号的传播性能。该研究系统分析了这些因素的影响,并探讨了测量技术、信道建模方法及安全性挑战,同时整合了最新研究成果和实验数据。结果表明,降低气象干扰是实现稳定室外太赫兹通信的关键。文章还展望了未来研究方向,包括精准信道建模、新型测量方法、天气自适用通信系统及安全协议,为下一代无线通信领域的研究人员和工程师提供重要参考。
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Fundamental Research 2025, 5(2): 526-555
https://doi.org/10.1016/j.fmre.2024.09.012
Review
Enabling beam-scanning antenna technologies for terahertz wireless systems: A review
面向太赫兹无线系统的使能波束扫描天线技术综述
Dongze Zheng, Geng-Bo Wu, Zhi Hao Jiang, Wei Hong, Chi Hou Chan, Ke Wu
随着5G向6G演进,太赫兹(0.1-10 THz)频段因超大带宽成为突破通信容量的关键。相较于微波,太赫兹波面临更高的自由空间损耗、大气环境吸收衰减及信号源功率不足等问题,此时高方向性波束扫描技术对太赫兹无线系统尤为重要。在此背景下,本文系统性综述了太赫兹波束扫描的主要四大技术路径:机械扫描、相控阵扫描、频率扫描、及可重构超表面,详细介绍了各自的特征及优缺点,并展望了未来的发展方向。
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Fundamental Research 2025, 5(2): 556-570
https://doi.org/10.1016/j.fmre.2024.10.003
Review
The theory, technology, and application of terahertz metamaterial biosensors: A review
太赫兹超材料生物传感器:从理论到应用
Xiaoke Wei, Chuanlu Ren, Bingwei Liu, Yan Peng, Songlin Zhuang
太赫兹超材料生物传感器是一种结合太赫兹时域光谱技术和超材料技术,在生物医学检测领域具有可辅助疾病快速诊断、重大疾病早筛等应用价值。本文从实现医学临床检测的需求出发,从提升传感器灵敏度以实现目标检测物的定量分析,增强传感器特异性以实现待测物的定性识别,提升由样品含水量削弱的检测信号以拓展应用范围的三个方面综述了太赫兹超材料生物传感器的新兴技术和应用,并对其未来发展方向了进行了分析与展望。
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Fundamental Research 2025, 5(2): 571-585
https://doi.org/10.1016/j.fmre.2024.11.008
Research Article
Terahertz Wave Targeting Modulates the Dedocking of Neurotransmitters with Receptors
太赫兹技术:为儿茶酚胺相关神经退行性疾病带来创新治疗新希望
Zhongjie Zhu, Yu Wu, Jie Wang, Te Ji, Wenming Qin, Zhi Zhu, Hongwei Zhao
儿茶酚胺类递质分子在神经活动中发挥至关重要的作用,其代谢紊乱和异常积累与神经退行性疾病,如帕金森病、抑郁症和阿尔茨海默病等密切相关,如何有效降低其代谢聚集仍是一个挑战。本研究提出了一种非药物太赫兹触发解离受体-配体相互作用新策略。研究发现,特定频率的太赫兹刺激可破坏弱氢键,进而成功地将多巴胺配体从受体结合位点解离。通过分子对接,识别了DRD2受体蛋白上多个结合位点,并表征了儿茶酚胺类递质在0.5~50 THz范围内的太赫兹指纹光谱,揭示了其微观振动模式及其对分子构象变化的影响。研究为太赫兹波调控神经活动和非药物缓解神经退行性疾病提供了新的思路和参考。
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Fundamental Research 2025, 5(2): 586-592
https://doi.org/10.1016/j.fmre.2024.12.001
Research Article
Retime-mapping terahertz vernier biosensor for boosting sensitivity based on self-reference waveguide interferometers
太赫兹游标传感器——生化检测的新“卡尺”
Liang Ma, Fei Fan, Weinan Shi, Yunyun Ji, Xianghui Wang, Shengjiang Chang
光学游标效应是提高传感灵敏度和精度的有效机制,是相干检测中的热点研究领域。将结合游标增益的干涉传感技术拓展到太赫兹波段具有重要意义,为此本文开展了太赫兹游标生化传感器的研究,在金属平板波导内构建具有自参考特性的太赫兹片上马赫曾德波导干涉仪。游标增益使传感灵敏度超过传统双通道波导干涉仪的30倍。利用该技术在实验上表征了氨基酸氧化特性曲线,并识别氨基酸种类。这项工作将波导干涉技术与游标增益推广至太赫兹新频段,为未来太赫兹相干技术在通信和生化传感中的应用开辟了新途径。
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Fundamental Research 2025, 5(2): 593-601
https://doi.org/10.1016/j.fmre.2024.12.002
Research Article
Terahertz photoneuromodulation of lateral orbitofrontal cortex neurons ameliorates stress-induced depression and cognitive impairment
抑郁症新疗法:太赫兹光神经调节技术的曙光
Yuanyuan He, Jing Ma, Yun Yu, Junkai Yin, Ge Gao, Yifang Yuan, Hao Ruan, Xueqing Yan, Zihua Song, Chao Chang
太赫兹技术在抑郁症治疗中的应用:本研究利用太赫兹光神经调节技术选择性抑制外侧眶额叶皮层谷氨酸神经元的兴奋性,成功改善了慢性束缚应激小鼠的抑郁样行为和认知功能。这一发现为抑郁症的治疗提供了创新性的解决方案,具有重要的临床应用前景。
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Fundamental Research 2025, 5(2): 602-611
https://doi.org/10.1016/j.fmre.2024.12.004
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