新研究提出光譜學“粒子基”方法

過去，光譜學的發展在很大程度上被視為工程學的演進——更精的棱鏡、更大的光柵、更復雜的光路，而對“光與物質的本征關系”關注相對不足。

近日，清華大學電子系副教授鮑捷團隊發表在材料科學領域期刊《納米研究》上的論文提出，光的波動性決定空間分布與干涉特性，而光的粒子性決定它與物質能級的相互作用方式，這正是重新理解光譜學的關鍵所在。

論文提出，借助材料本身的電子能帶結構，例如量子點、納米線、鈣鈦礦等不同頻率的光子在材料內部會產生不同的量子響應，這種響應可以被設計成一種“編碼”。當把海量微小編碼器（比如千萬級別的量子點單元）放在一個毫米級芯片上時，每個入射頻率成分都會在材料編碼器陣列上產生獨特的量子響應，這種指紋體現入射光頻率與材料局域能級結構之間的差異。最終，重建算法把這些指紋解碼回原始光譜。

這種由材料完成頻率分辨、由算法完成光譜重建的機制，標志著光譜學從“光路分光”邁向“材料分光”階段。基于此，高分辨率不再依賴于長光路，寬譜范圍可以在同一器件上覆蓋，高通量不再與體積成反比。更重要的是，這個思路適合微型化和集成化，能夠把光譜系統縮小到可以嵌入便攜設備、無人機、水下監測節點甚至是消費類產品的級別。

據介紹，作者在理論上系統闡明了粒子基的編碼機理，并把“材料—編碼—算法”作為一個完整的工程閉環來看待。據了解，鮑捷團隊會持續將這一原理性突破推向更深入的研究與更廣泛的應用。