实时自旋太赫兹射线:医学成像、加密通信等领域应用前景广阔

麦姆斯咨询报道,美国密歇根大学的研究人员受日本剪纸艺术的启发,发明了一种光旋转装置,可在不使用有害X射线的情况下,探测到植物和动物组织内部结构的微小扭曲。

这种方法是首例实现实时完全旋转太赫兹辐射的方法,该方法可在医学成像、加密通信和宇宙学等领域开辟新的视角。研究人员最感兴趣的是利用太赫兹辐射,通过生物组织结构中的扭曲(“手性”)来识别它们。组织的手性会影响它们对扭曲辐射的吸收。

太赫兹辐射是一种位于红外辐射与毫米波之间的电磁波波谱,常在机场用于穿透衣物的检查扫描。太赫兹辐射可以进入人体约四分之一英寸,但与X射线不同,它是非电离的,这意味着它不会在体内释放破坏性电荷。

Nicholas Kotov说:“我们的身体结构内有很多扭曲的结构,这些结构离人体表面的太赫兹探测范围足够近,太赫兹光子可以穿透这些血管、韧带、肌纤维、分子,甚至一些螺旋细菌。”Nicholas Kotov是Joseph B.和Florence V. Cejka工程学教授,也是这项研究(发表于Nature Materials)的共同作者。

Kotov认为,利用太赫兹成像技术可以获得这些组织行为的医学相关信息。然而,与X射线一样,太赫兹扫描很难分辨软组织之间的区别。

为了探索手性如何有助于区分组织,研究团队收集了各种生物材料,以探究太赫兹光谱中顺时针或逆时针旋转辐射的吸收差异。他们研究了枫叶、蒲公英、猪油和彩虹甲虫的翅壳。叶片和脂肪对顺时针和逆时针旋转辐射的吸收没有差异,而花和翅壳表现出了吸收差异,在其结构中展现了微观扭曲。

在此之前,这种被称为圆二色谱的技术,在太赫兹范围内是无法实现的。在可见光等其他电磁波谱部分,就可以用天然晶体进行扭曲,但这种扭曲受太赫兹辐射的限制,无法实时进行。

这个新装置看起来很简单——其实就是将印有金色人字形图案的塑料丝带,切割成交错排列的小切口。这些切口是受到日本kirigami艺术的启发。kirigami利用剪纸的排列方式,在纸上创造出3D结构。当丝带被拉伸时,切口打开,丝带片就会扭曲。然后,金线会引导辐射,依次将其扭曲。在辐射中,这种扭转被称为“圆偏振”,这与液晶显示器(LCD)中使用的光学现象相同。

材料科学与工程专业的博士生、该研究的共同第一作者Choi Wonjin说:“我们年轻的时候可能都有做纸手工的经历,但是对于只使用折叠和切割的3D手性光学器件,并没有设计规则。因此,我们从零开始,通过模拟和实验测试了许多模型。”

研究小组提出,同样的设计也可以拓展用于其他类型的辐射,既可以放大图纹与微波或无线电波相互作用,也可以将图纹缩小以操纵红外光。

因为旋转太赫兹光并未被广泛研究,该研究团队面临的挑战之一就是弄清楚这种kirigami装置如何有效工作。

密歇根大学的物理学博士Gong Cheng,也是本研究的共同第一作者说:“传统测量太赫兹辐射的方法仅限于探测太赫兹辐射在穿过样本的过程中所丢失的能量,但这对我们来说是不够的。”

通过在光束路径上堆叠相对彼此旋转的线性偏振镜,它们可以测量显示圆偏振。

除成像活体组织外,太赫兹圆二色谱还可以帮助开发基于蛋白质和抗体等大型生物分子的新药。

Choi预计该研究的早期应用可以加密和解密太赫兹频谱上的通信。如果这些kirigami装置搭载于卫星,就可测量宇宙背景辐射太赫兹光谱的扭曲,它可以告诉我们更多关于最古老恒星的信息。

这项研究得到了美国国防部高级研究计划局(DARPA)和美国国防部Vannevar Bush奖学金的支持。手性kirigami调制器是在Lurie纳米加工平台制备的。

Ted Norris是密歇根大学大学电气工程和计算机科学Gerard A. Mourou学院教授,也是这项研究的通讯作者。Kotov是化学工程、材料科学与工程、高分子科学与工程的教授。

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