智能量子传感器，可同时检测光的强度、偏振和波长

智能传感过程的艺术渲染：量子几何性质决定了光响应，然后由神经网络解释。图片来源：夏集团

一组研究人员已经建立了一个智能传感器 – 大约是人类头发横截面的1/1000 – 可以同时检测光的强度，偏振和波长，利用电子的量子特性。这是一个突破，可以帮助推进天文学，医疗保健和遥感领域。

在耶鲁大学巴顿·L·韦勒（Barton L. Weller）工程与科学副教授夏凤年（Fengnian Xia）和德克萨斯大学达拉斯分校物理学副教授张凡（Fan Zhang）的带领下，研究结果发表在《Nature》杂志上。

近年来，研究人员了解到，以特定角度扭曲某些材料可以形成所谓的“摩尔纹材料”，从而引发以前未被发现的特性。在这种情况下，研究小组使用扭曲的双双层石墨烯（TDBG）——即两个天然堆叠碳原子的原子层，给予轻微的旋转扭曲——来构建他们的传感器件。这是至关重要的，因为扭曲降低了晶体对称性，并且具有不那么对称的原子结构的材料 – 在许多情况下 – 承诺一些有趣的物理特性，这些特性在那些具有更大对称性的材料中找不到。

有了这个装置，研究人员能够检测到所谓的体光伏效应（BPVE）的强烈存在，这是一种将光转化为电能的过程，给出强烈依赖于光强度，偏振和波长的响应。研究人员发现，TDBG中的BPVE可以通过外部电气手段进一步调谐，这使他们能够为每个不同的入射光创建光伏的“2D指纹”。

夏某实验室的研究生、该研究的共同主要作者袁少帆（Shaofan Yuan）萌生了应用卷积神经网络（CNN）的想法，这是一种以前用于图像识别的人工神经网络，用于破译这些指纹。从那里，他们能够演示一个智能光电探测器。

其小尺寸使其在深空探索，原位医疗测试和自动驾驶汽车或飞机上的遥感等应用中具有潜在的价值。此外，他们的工作揭示了基于摩尔材料的非线性光学研究的新途径。

“理想情况下，一个智能设备可以取代几个笨重，复杂和昂贵的光学元件，这些光学元件用于捕获光的信息，大大节省了空间和成本，”夏氏实验室的研究生，该研究的共同主要作者Chao Ma说。