新型传感器通过声波实现微观尺度探测
在现代成像系统中，传感器是核心组件，无论是由光电传感器组成的图像传感器，还是传统的胶片材料。然而，当目标物体的尺寸缩小到极致时，传感器本身也必须缩小，这种压缩往往带来性能的显著下降。这一挑战长期以来限制了微型化成像技术的发展。
近日，来自东北大学的研究团队在传感器技术方面取得了关键性突破。他们成功开发出一种新型传感器，无需减小传感器的物理尺寸，即可检测到小至单个蛋白质或单个癌细胞的物体。该技术基于导波和拓扑界面态等先进物理原理，在极小空间尺度内实现了前所未有的测量精度。
该设备的体积大约与皮带扣相当，却能在纳米和量子尺度上操作，为多个前沿技术领域，如量子计算和精准医疗，打开了新的技术窗口。
微型相机的挑战
传统上，科学家若希望拍摄微观物体，必须将整个相机系统进行微型化。然而，随着设备尺寸的缩减，技术障碍也日益凸显。
克里斯蒂安·卡塞拉副教授是微机电系统（MEMS）领域的专家，他专注于在微米和亚微米尺度上的电子与机械系统研究。他指出，传感器像素尺寸的减小通常会导致灵敏度和成像质量的下降。于是，他开始思考：“如何在不改变像素尺寸的前提下，实现更精细的成像效果？”
这一看似矛盾的问题促使卡塞拉寻求跨学科合作。他最终联系了马可·科兰杰洛助理教授，一位凝聚态物理专家。科兰杰洛与卡塞拉，以及项目另一位核心成员悉达多·戈什教授，都在东北大学EXP大楼共享一间实验室。
科兰杰洛的研究方向聚焦在固态物质在原子层面的特性，他与团队发现了一种关键现象——拓扑界面态，这一现象能够将能量集中到纳米尺度的局部区域，而不会因设备整体尺寸缩小而导致性能衰减。
卡塞拉指出，这种新型技术不仅具有广泛的应用前景，还可能引发传感和成像领域的范式转变。
传感技术的革新
研究团队将这种新型传感器命名为拓扑导波声波传感器。在首次实验中，他们成功探测到直径为5微米的低功率红外激光信号，相当于人类发丝直径的十分之一。
“我们能够分辨极其微弱的激发信号，并定位在高度局域化的区域，”科兰杰洛表示。他特别指出，这项技术为探索新的物理现象提供了可能性。“目前关于其工作机理仍有一些未解之谜，”他说，“但这些基本物理机制的理解，将推动其在实际工程中的应用。”
戈什则对这项技术的未来发展持审慎乐观态度。他认为，这项突破不仅为未来研究打开了新的方向，也为技术的实际落地打下了基础。
在论文署名环节，科兰杰洛和卡塞拉都对彼此的工作表示了高度认可。科兰杰洛感谢卡塞拉在项目中的领导作用，而卡塞拉则提到，项目的成功离不开科兰杰洛所获得的科研资助。
“我们可能会在今后十年继续深入研究这项技术，”卡塞拉说。
本文由 Northeastern University 提供。