魔法微芯片：扭曲晶體開啟光控新時代
一種采用扭曲莫爾光子晶體的新型片上傳感器，可實時精確調(diào)控光特性。這項技術有望用一塊緊湊的高性能芯片取代笨重的光學系統(tǒng)。 R _~m\P
扭曲莫爾光子晶體——這種前沿光學超材料——為構建更小巧、更強大、功能更豐富的光學系統(tǒng)帶來巨大希望。但它們的運作機制究竟如何？ n$Oky-P"
想象兩塊帶有簡單重復圖案（如條紋或方格）的織物。當它們完全對齊疊放時，每個圖案都清晰可見。但若對其中一層稍作旋轉(zhuǎn)或位移，全新的復雜圖案就會浮現(xiàn)——這些圖案在單層織物中并不存在。 Qc)RrqYNGF
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通過扭曲與堆疊實現(xiàn)光調(diào)控 'FvhzGn9Q
這一原理同樣適用于扭曲莫爾光子晶體。當晶體層發(fā)生旋轉(zhuǎn)或間距變化時，它們與光的相互作用方式也隨之改變。通過精細調(diào)節(jié)扭曲角度和層間距，研究人員可對材料進行微調(diào)，實現(xiàn)對光相位、偏振、波長等多重特性的同步控制。這為用單一緊湊設備替代多個笨重光學元件開辟了道路。 Jh hT7\h(
然而，科學家此前始終未能將這類晶體集成到能主動實時調(diào)控層間扭曲角度與間距的裝置中，嚴重限制了其應用場景。 Q{)F $]w
片上設計的重大突破 ]f+D& qZ B
近期，哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）聯(lián)合斯坦福大學和加州大學伯克利分校的研究團隊，開發(fā)出一款基于MEMS技術的片上扭曲莫爾光子晶體傳感器。該裝置能實時控制晶體層間間隙與角度，同步檢測并收集詳細的偏振與波長信息。 M@z_Z+q 9
這項4月3日發(fā)表于《自然·光子學》的研究由美國國家科學基金會、DARPA、美國空軍科研辦公室及海軍研究辦公室資助。樣品制備在哈佛納米系統(tǒng)中心完成，該中心隸屬國家納米技術協(xié)調(diào)基礎設施網(wǎng)絡，同樣獲得美國國家科學基金會支持。 .> \>F{#~
緊湊、可調(diào)、高性能 ^5iY/t~Q
SEAS物理學與應用物理學教授、論文資深作者Eric Mazur表示："扭曲莫爾光子晶體具有高度可調(diào)光學特性、精確光控能力、緊湊可擴展設計，以及在各類先進光子技術中的廣泛應用潛力，是打造更小更強光學系統(tǒng)的理想選擇。" azATKH+j
論文第一作者、SEAS博士后Haoning Tang指出："我們的研究不僅展示了精確控制下這類材料的強大性能，更為開發(fā)適用于多功能光操控與信息處理的平面光學器件提供了可擴展路徑。" GqF.T #|
面向規(guī)模化制造的設計 lQ(BEv"2G[
在這款哈佛研發(fā)的裝置中，光子晶體層置于垂直與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器上，通過電極連接。整套設備僅數(shù)毫米尺寸，采用CMOS兼容工藝制造，意味著可通過標準代工廠納米加工技術實現(xiàn)量產(chǎn)。 `'{%szmD
研究團隊證明，通過驅(qū)動器改變光子晶體層的間距與旋轉(zhuǎn)角度，可實現(xiàn)同步高光譜與高偏振成像——傳感器捕捉的每個像素都包含電磁頻譜全域信息及偏振態(tài)詳細信息。這是首款具備主動調(diào)諧功能、可獲取光多重特性詳情的設備。 5d >YE
跨行業(yè)應用潛力 .$T:n[@
Tang表示："這類設備在量子計算、數(shù)據(jù)通信、衛(wèi)星或醫(yī)療掃描等領域具有廣泛應用前景，特別是在需要清晰圖像及光色詳細信息的關鍵場景中。" &B>uPZ]
未來，研究團隊計劃為設備賦予更復雜的調(diào)諧能力，包括開發(fā)具有更多自由度的驅(qū)動器。這項突破性技術或?qū)氐赘膶懍F(xiàn)代光學系統(tǒng)的設計規(guī)則，開啟光控技術的新紀元。 [n@!=T
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