新型传感器利用声波探测微观尺度目标
在摄像系统中，传感器始终是核心组件，无论是由光电像素构成的数字传感器，还是传统胶卷。然而，当目标尺寸缩小至微米乃至纳米级别时，传感器的性能往往随着物理尺寸的缩减而显著降低，这成为长期困扰科研人员的技术瓶颈。
近日，东北大学研究团队在传感技术领域取得关键进展，其研发的新型设备可在无需减小传感器尺寸的前提下，精准检测到单个蛋白质分子或癌细胞级的微观物体。该技术的核心在于利用导波与拓扑界面态相结合，实现在极小空间尺度下的高精度探测。
这款传感器体积与一枚皮带扣相当，却在纳米和量子传感领域展现出巨大潜力，其应用前景涵盖量子计算、生物医学成像以及高精度医疗诊断等多个前沿方向。
小型化摄像技术的挑战
在传统光学成像领域，为了观察微小物体，往往需要将相机系统整体缩小。然而，随着设备尺寸不断压缩，性能退化问题日益突出。东北大学电子与计算机工程系副教授克里斯蒂安·卡塞拉指出，像素尺寸的减小通常会导致图像质量下降。
作为微机电系统（MEMS）领域的专家，卡塞拉长期从事微纳米尺度下的电学与机械系统研究。面对传感器小型化的性能限制，他开始探索：能否在不减小像素尺寸的前提下，实现等效的微型化效果？这一思路促使他与多位跨学科专家展开合作。
研究团队包括助理教授马可·科兰杰洛与悉达多·戈什，三人均在东北大学的EXP大楼共享实验室资源。科兰杰洛专攻凝聚态物理，研究固体材料在原子层面上的行为模式。
此次研究的关键在于利用拓扑界面态（topological interface states）这一凝聚态物理现象，将能量局域化在纳米尺度区域，从而实现对微小空间的高灵敏探测，而不会因整体结构缩小而导致性能损失。拓扑界面态能够有效引导波能量的传播路径，使其在受限空间中保持高效。
卡塞拉认为，这种技术突破将为多个领域带来变革，特别是在量子计算和精准医疗方面，具有广阔的发展空间。
戈什补充道，该方法避开了传统传感系统小型化过程中常见的性能限制，借助一系列巧妙的物理机制，成功突破了既有的技术边界。
开启传感技术新纪元
研究团队将其开发的设备命名为“拓扑导波声波传感器”（topological guided-wave acoustic sensor）。在初步实验中，该设备成功探测到直径为5微米的低功率红外光，其尺寸大约是人类毛发直径的十分之一，显示出极高的空间分辨率。
“这项技术能够区分极其微弱的信号，并精准捕捉到高度局域化的物理参数。”科兰杰洛表示。他强调，这一成果不仅验证了理论模型，也为后续的物理机制研究打开了新窗口。
尽管戈什对这项技术的未来影响持审慎态度，但他仍对研究结果表示高度认可，认为它为后续探索提供了诸多可能。
两位研究负责人均对团队合作表达了肯定。科兰杰洛赞扬卡塞拉在项目中的领导作用，而卡塞拉也指出，项目能顺利推进，离不开科兰杰洛此前获得的科研资助。
“在未来十年里，我们将持续深入研究这项技术。”卡塞拉展望道。
本研究由Northeastern University提供。