下一代光学传感器能够读取紫外至红外波段的光子自旋

由DGIST能源科学与工程系杨志雄教授领导的研究团队开发了下一代光学传感器技术，能够精确检测光的强度和波长，还能检测其旋转方向——光子的自旋信息。团队成功实现了一种基于量子点的光学传感器，能够检测超广光谱范围的圆偏振光（CPL），从紫外到短波红外，展现出与商业硅光学传感器相当的光检测性能。该论文发表在《高级材料》杂志上。

CPL指的是电场在传播过程中呈螺旋旋转的光。这直接关联于光子的自旋信息——光的基本粒子。这种极化信息是下一代安全与通信技术中的关键信号，如量子通信、量子密码学和光子量子信息处理，这也是相关光学传感器技术在全球范围内受到广泛关注的原因。

传统的圆偏振光传感器通常要求吸收光的材料本身具有特定的螺旋方向，称为手性结构。这种方法不仅限制了可用材料的范围，还将探测限制在紫外线或可见光等狭窄光域内。将这项技术扩展到红外区域——对于量子通信和光学传感至关重要——此前一直是重大技术挑战。

杨教授的团队通过一种非常规设计克服了这些限制：他们没有在光吸收材料中引入手性结构，而是将其纳入电子传播的路径（电荷传输路径）。团队开发了氧化锌（ZnO）电子传递层与手性物质结合，并将其应用于量子点光电二极管上，成功实现了具有特定自旋方向电子的选择性传输。当CPL产生的电子通过这一特殊层时，电流差异取决于其自旋态，从而实现对光旋转方向的直接检测。

新开发的量子点光学传感器能够在超宽带光谱范围内探测CPL，涵盖紫外、可见光、近红外和短波红外区域。能够用单一设备捕获如此宽的波长范围的偏振信息，被认为是极为卓越的。此外，传感器表现出10¹²琼斯的卓越性能——这是光探测器灵敏度的指标——显示出显著的商业潜力。

杨教授表示：“这项研究具有重要意义，因为它提出了一种能够检测光子自旋信息的光学传感器新原理。”“它极有可能成为推动量子光电子学多个领域的核心传感器技术，包括量子通信、量子传感、下一代图像传感器和安全光通信。”

Minseo Kim 等，通过量子点光电二极管自旋选择性电荷传输实现宽带圆偏振光检测，Advanced Materials（2026）。DOI：10.1002/adma.202519146

期刊信息：先进材料 

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