近日，中科院上海光機所高功率激光元件技術(shù)與工程部吳衛(wèi)平研究員團隊，與上海理工大學袁英豪副教授團隊合作，基于單層四分之一環(huán)圖案的超材料，實現(xiàn)了一種太赫茲波段新型雙參數(shù)傳感器的設(shè)計，相關(guān)成果以“Multi-parameter Terahertz Metamaterial Sensors based on Single-Layer Quarter Ring Patterns”為題發(fā)表于Optics & Laser Technology。

達芬奇是文藝復興時期杰出的畫家、科學家和工程師，他不僅創(chuàng)造了《蒙娜麗莎》，而且在他的一生中留下了大量的手稿，展示了人類對科學與藝術(shù)的結(jié)合追求。他的手稿記錄了繪畫與解剖學的研究，還涉及飛行器、建筑、軍事機械等跨時代的構(gòu)想。這種多領(lǐng)域的探索精神與現(xiàn)代科學研究中跨學科融合的趨勢不謀而合。科學和藝術(shù)是一個硬幣的正反兩面，正如達芬奇在其時代構(gòu)建未來的科技圖景，今天的研究人員也通過創(chuàng)新設(shè)計推進科學技術(shù)的邊界。在達芬奇手稿中的幾何和數(shù)學啟發(fā)下，科研人員設(shè)計了一種基于四分之一圓環(huán)的太赫茲超材料。

太赫茲波段具有獨特的光譜信息，對研究生物大分子的動態(tài)行為和高靈敏度檢測意義重大。然而，由于天然材料與太赫茲波的相互作用較弱，傳統(tǒng)檢測手段面臨靈敏度不足的問題。而基于超表面技術(shù)的解決方案，通過設(shè)計具有高度對稱性和功能化的結(jié)構(gòu)，增強了太赫茲波與生物分子的交互效果，從而顯著提高了檢測性能。

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圖1. (a)超材料周期結(jié)構(gòu)的俯視圖， (b)單元結(jié)構(gòu)的俯視圖，(c)周期結(jié)構(gòu)的三維視圖，(d)單元結(jié)構(gòu)的三維視圖。

在超材料的應(yīng)用研究中，圖1所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計展示了如何通過幾何對稱性和材料特性優(yōu)化光譜響應(yīng)。特別是多極共振的引入，通過抑制輻射損耗實現(xiàn)了窄帶譜響應(yīng)，通過局部電場的增強（圖2）提升了傳感器的靈敏度，還實現(xiàn)了對折射率和溫度敏感的雙參數(shù)太赫茲傳感功能。這種太赫茲超材料具有結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、易于小型化以及高靈敏度等優(yōu)點，在傳感、工業(yè)過程控制、環(huán)境監(jiān)測和生物等多個領(lǐng)域，具有廣泛的潛在應(yīng)用。

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圖2. 太赫茲諧振頻率下x-y平面的電場分布，(a)0.48THz，(b)0.64THz，(c)0.79THz，(d)1.04THz。

相關(guān)工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2021YFB2800703, 2021YFB2800701）、國家自然科學基金（52273242）、中國科技云開放科學推進計劃和中國科學院大學“一帶一路”國際科學組織聯(lián)盟獎學金等項目的支持。

相關(guān)鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399224005437