基于量子点的新一代光学传感器实现紫外至红外波段光子自旋探测
由韩国DGIST能源科学与工程系的杨志雄教授团队主导的创新研究，成功开发出一种能够同时检测光强、波长以及光子自旋信息的光学传感器。这项技术突破基于量子点的新型光学传感器，具备从紫外到短波红外波段的宽光谱圆偏振光（CPL）检测能力。其性能与商用硅基传感器相当，并已在《先进材料》期刊上发表。
圆偏振光（CPL）是指在传播过程中电场矢量以螺旋方式旋转的光。这种极化特性与光子的自旋状态密切相关，是量子通信、量子密码学及光子量子信息处理等前沿技术中不可或缺的关键信号。正因如此，光学传感器在该领域的研究和应用正受到全球广泛关注。
传统CPL传感器依赖具有手性结构的光吸收材料，以实现对光的偏振信息识别。然而，这种方式不仅限定了材料的选择范围，还将检测波段局限于紫外和可见光区域。要将CPL传感技术拓展至红外波段——这对量子通信和光学传感至关重要——一直是技术上的难题。
杨教授团队提出了一种非传统设计方案，突破了材料手性结构的限制。他们将手性特性引入电荷传输路径，而非光吸收层。通过构建由氧化锌（ZnO）组成的电子传输层并与手性材料结合，并将其整合到量子点光电二极管中，该团队实现了对自旋电子的定向传输。当圆偏振光激发电子并经过该结构时，电流的变化直接反映了光子的自旋状态，从而实现对光子旋转方向的高精度检测。
这种新型量子点光学传感器能够在紫外、可见光、近红外至短波红外的广泛波段中，检测圆偏振光的偏振信息。使用单一器件实现如此宽的光谱响应，是当前光学传感领域中极为难得的性能。此外，该传感器表现出高达10¹²琼斯的光响应能力，这一指标代表了卓越的探测灵敏度，为未来商业化应用奠定了基础。
杨志雄教授指出，这项研究为光学传感器提供了一种全新的工作原理，其核心在于实现对光子自旋信息的直接探测。该技术有望在量子光电子学的多个领域发挥关键作用，包括量子通信、量子传感、下一代图像传感器以及安全光通信系统。
相关研究成果以“通过量子点光电二极管实现自旋选择性电荷传输的宽带圆偏振光检测”为题，发表于《Advanced Materials》。DOI：10.1002/adma.202519146。
Advanced Materials