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- 扭曲晶體為光學設(shè)備中更小巧、更強大的傳感器開辟道路
- 來源：Leah Burrows，哈佛約翰・A・保爾森工程與應用科學學院 發(fā)表于 2025/4/14
多維信息的計算重建。圖片來源：《自然・光子學》（2025 年）。https://doi.org/10.1038/s41566-025-01650-z
扭曲莫爾光子晶體 —— 一種先進的光學超材料，在研發(fā)更小巧、性能更強、功能更強大的光學系統(tǒng)的競爭中展現(xiàn)出了巨大潛力。它們是如何工作的呢？
想象一下，你有兩塊帶有規(guī)則圖案（比如條紋或方格）的織物。當你把兩塊織物直接疊放在一起時，你能清楚地看到每一個圖案。但如果你稍微移動或扭轉(zhuǎn)其中一塊織物，就會出現(xiàn)原本兩塊織物中都沒有的新圖案。
在扭曲莫爾光子晶體中，各層的扭轉(zhuǎn)和重疊方式會改變材料與光的相互作用。通過改變扭轉(zhuǎn)角度和層間距，這些材料可以進行微調(diào)，從而同時控制和操縱光的不同方面 —— 這意味著通常需要多個光學組件才能同時測量光的相位、偏振和波長，而現(xiàn)在可以用一個設(shè)備來替代。
然而，研究人員一直無法將扭曲莫爾光子晶體集成到能夠?qū)崟r主動控制層間扭轉(zhuǎn)和距離的設(shè)備中，這嚴重限制了它們的應用。
現(xiàn)在，哈佛約翰・A・保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員與斯坦福大學、加利福尼亞大學伯克利分校合作，開發(fā)出了一種片上扭曲莫爾光子晶體傳感器。該傳感器利用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)實時控制晶體層之間的間隙和角度，能夠同時檢測和收集詳細的偏振和波長信息。
這項研究成果發(fā)表在《自然・光子學》雜志上。樣品的制作是在哈佛大學納米系統(tǒng)中心完成的。
“扭曲莫爾光子晶體有望用于研發(fā)更小巧、更強大的光學系統(tǒng)，因為它們具有高度可調(diào)節(jié)的光學特性、精確的光控制能力、緊湊且可擴展的設(shè)計，并且在各種先進光子技術(shù)中具有廣泛的應用潛力，” 哈佛約翰・A・保爾森工程與應用科學學院的物理學與應用物理學巴爾坎斯基教授、該論文的資深作者埃里克・馬祖爾（Eric Mazur）說道。
“我們的研究展示了在實現(xiàn)精確控制時這些材料的強大之處，并為創(chuàng)建適用于多種光操縱和信息處理任務的綜合性平面光學器件開辟了一條可擴展的道路，” 哈佛約翰・A・保爾森工程與應用科學學院的博士后研究員、該研究的第一作者唐浩寧（音譯）說道。
在哈佛研發(fā)的這個設(shè)備中，光子晶體層位于垂直和旋轉(zhuǎn)致動器上，并與電極相連。整個設(shè)備只有幾毫米大小，可以使用與互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容的工藝進行制造，這意味著它可以通過標準的代工廠納米制造工藝進行大規(guī)模生產(chǎn)。
封裝好的 MEMS-TMPhC 設(shè)備與印刷電路板進行引線鍵合的側(cè)視圖。圖片來源：《自然・光子學》（2025 年）。https://doi.org/10.1038/s41566-025-01650-z
研究人員證明，通過使用致動器改變光子晶體層的距離和旋轉(zhuǎn)位置，他們可以進行同時高光譜和超偏振成像 —— 這意味著傳感器捕獲的每個像素都包含來自整個電磁光譜的信息以及關(guān)于偏振狀態(tài)的詳細信息。這是首個具有主動調(diào)諧功能、能夠展示光的多種屬性詳細信息的設(shè)備。
“這些設(shè)備可用于一系列應用，包括量子計算、數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星或醫(yī)學掃描，在這些應用中，獲取清晰的圖像以及關(guān)于光和顏色的詳細信息非常重要，” 唐浩寧說道。
未來，這些設(shè)備將具備更復雜的調(diào)諧能力，包括具有更多自由度的致動器。
更多信息：Tang, H. 等人，《用于光譜偏振超成像的自適應莫爾傳感器》，《自然・光子學》（2025 年）。doi.org/10.1038/s41566-025-01650-z。www.nature.com/articles/s41566-025-01650-z
期刊信息：《自然・光子學》
由哈佛約翰・A・保爾森工程與應用科學學院提供
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