加州大學圣地亞哥分校工程師突破了光子學領域長期存在的瓶頸：成功制造出兼具高靈敏度與強韌性的微型光學器件——這兩種曾被視作根本對立的特性終于實現(xiàn)共存。這種罕見的特性組合將催生新一代光子器件，它們不僅精度更高、性能更強，還能實現(xiàn)低成本大規(guī)模量產(chǎn)。該突破為各類先進傳感器與技術(shù)打開大門：從高靈敏度醫(yī)療診斷設備、環(huán)境傳感器到更安全的通信系統(tǒng)，所有這些功能都將集成在微型芯片級器件中。

實現(xiàn)雙重特性曾被視為不可能的任務。因為高靈敏度器件通常極為脆弱，制造過程中任何微小瑕疵都可能導致設備失效，致使量產(chǎn)成本高昂且難度巨大；而強化器件結(jié)構(gòu)往往意味著犧牲精度。

如今，由加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院電氣工程系Abdoulaye Ndao教授領銜的團隊攻克了這一矛盾。

Ndao表示："我們的研究解決了這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)，設計出既能對環(huán)境高度敏感，又能抵抗制造缺陷與材料瑕疵的新型光子器件。"

該成果發(fā)表于《先進光子學》。

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多層周期性光子納米結(jié)構(gòu)，支持穩(wěn)健的相位奇異性。

該器件核心在于"亞波長相位奇點"物理現(xiàn)象：當光被限制在小于自身波長的空間時，會形成光強歸零的"全暗點"，同時其相位卻保持完整周期變化。這種奇點既對環(huán)境變化高度敏感（是理想傳感元件），又具備抵抗制造瑕疵的天然韌性。

實現(xiàn)該現(xiàn)象的關(guān)鍵在于特殊設計的納米結(jié)構(gòu)：研究人員構(gòu)建的芯片級器件采用三層夾心結(jié)構(gòu)——兩層金納米棒陣列中間填充超薄聚合物。底層納米棒嵌入聚合物，頂層則暴露于空氣中以便與目標分子直接作用。每層納米棒以特定角度交錯排列，通過調(diào)控層間水平間距即可精確控制光相互作用。

實驗中，團隊通過測量相位奇點證實了器件的雙重特性。理論建模由聯(lián)合第一作者Jun-Hee Park（博士生）與Liyi Hsu（博士后）完成；器件制備由聯(lián)合第一作者Jeongho Ha負責；測量工作由Guang Yang完成——四位均來自Ndao實驗室。

Ndao解釋："相位奇點使光相位突變，對外部變化極其敏感。這種特性在高精度探測器、光通信及成像領域潛力巨大，但實用化長期受阻。"傳統(tǒng)光學器件難以兼顧靈敏度與穩(wěn)健性——靈敏設計往往脆弱，而穩(wěn)固系統(tǒng)常失之精密。

Ndao強調(diào)："這是首個同時具備高靈敏度與強抗缺陷能力的光學器件。我們實現(xiàn)了既堅固又靈敏的微型光學器件——這個曾被斷言不可能的組合。"

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