新型传感器借助声波实现微观物体的高精度探测
在成像系统中，传感器始终是核心组件，无论是基于数字像素阵列的电子传感器，还是传统的35毫米胶片。然而，当目标对象的尺寸缩小至微观尺度时，传感器本身的尺寸也必须相应减小，这往往会导致性能显著下降。
最近，东北大学的研究团队在传感技术方面取得重大进展，无需缩小传感器尺寸，即可检测到单个蛋白质或癌细胞级别的微小对象。这一成果依赖于导波技术与拓扑界面态的结合，实现了在极小空间内极高灵敏度的探测。
该传感装置体积仅与皮带扣相当，却能在纳米乃至量子尺度上运行，为包括量子计算和精准医疗在内的多个前沿领域带来了潜在的技术革新。
微型相机的挑战与突破
长期以来，科学家在尝试捕捉微观物体图像时，常常需要缩小整个成像系统的尺寸。然而，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，随着尺寸减小，系统面临的性能瓶颈也日益突出。
作为一名专注于微机电系统（MEMS）的研究者，卡塞拉长期关注在微米乃至亚微米尺度下运行的电气和机械系统。他发现，随着像素尺寸的缩小，系统的灵敏度和成像质量会迅速下降。因此，他提出一个关键问题：“我们是否可以在不减小像素尺寸的前提下，实现与更小像素相同的效果？”
为了解决这一难题，卡塞拉与电子与计算机工程系助理教授马可·科兰杰洛展开合作。两位学者在东北大学EXP大楼共享实验室，科兰杰洛专注于凝聚态物理，研究固态材料在原子层面的行为。
他们的突破性方法基于拓扑界面态，该现象允许能量高度聚焦在纳米尺度的区域内，从而在不牺牲系统性能的前提下实现高精度探测。拓扑界面态能够将信号限制在极小的空间范围内，避免了传统尺寸缩减带来的性能衰减。
卡塞拉强调，这项技术在多个领域具备广阔的应用前景，从量子计算到精准医疗，都可能因此受益。他将这项研究形容为“开创性的”，认为它为未来的科学与工程发展提供了全新路径。
电子与计算机工程系助理教授悉达多·戈什则指出，该团队的方法绕过了传统微型化过程中常见的物理限制，通过巧妙的物理机制实现了技术突破。
开启新感知维度的技术
该团队开发的拓扑导波声波传感器在首次实验中成功探测到直径仅5微米的低功率红外激光信号。5微米相当于人类头发丝直径的十分之一，显示了该系统对微弱信号的高灵敏响应。
“我们能够识别极其微弱的激发信号，并在高度局域化的区域内进行精准测量，”科兰杰洛指出。他提到，这项技术不仅验证了初步的可行性，还为研究更深层的物理机制打开了新窗口。
尽管戈什对于该技术的长期影响仍持谨慎态度，但他也承认这项研究具有重要潜力，可能为未来多个研究方向铺平道路。
在提及研究成果时，两位研究者都表达了对彼此贡献的认可。科兰杰洛赞扬卡塞拉在项目中的领导作用，而卡塞拉也强调该研究得以推进，离不开科兰杰洛此前获得的研究资助。
“未来十年内，我们或许仍需不断深化对这项技术的理解和应用，”卡塞拉表示。
本文由 Northeastern University 提供。