新型光学传感器拓展光子自旋检测范围至红外波段
在DGIST能源科学与工程系杨志雄教授的带领下，研究团队成功研发出一种下一代光学传感器，该传感器不仅能精准识别光的强度与波长，还能有效捕获光子的自旋信息。这项技术的核心在于基于量子点结构的新型光学探测系统，能够在紫外至短波红外的超宽光谱范围内检测圆偏振光（CPL），展现出与商用硅基传感器相当的探测性能。研究成果已发表在《Advanced Materials》期刊上。
圆偏振光（CPL）是指在传播过程中电场矢量呈现螺旋状旋转的光，这种特性直接反映了光子的自旋状态。CPL作为光的基本物理属性之一，已成为量子通信、量子加密及光子信息处理等前沿领域的重要信号载体。因此，具备CPL检测能力的光学传感器正日益成为全球科研与产业界关注的焦点。
传统CPL传感器依赖于吸收层材料本身具备的手性结构，即材料分子需具有螺旋对称性以实现对特定方向极化光的响应。然而，这种方法不仅限制了材料选择的灵活性，还导致其有效工作波长局限于紫外和可见光范围，难以满足量子通信及红外传感等应用中对更宽谱段的需求。
为突破上述瓶颈，杨志雄教授团队创新性地将手性结构引入电子传输路径，而非吸收层本身。具体而言，研究人员在量子点光电二极管中引入了氧化锌（ZnO）电荷传输层，并与手性分子结合，从而实现了对具有特定自旋方向的电子进行选择性传输。当CPL激发产生的电子通过该层时，其电流响应随自旋状态变化，从而使得光子自旋的探测成为可能。
新型量子点光学传感器在检测CPL方面展现出超宽的光谱响应能力，涵盖紫外、可见光、近红外直至短波红外区域。这种能够在一个器件中覆盖如此宽广波段的偏振检测性能极为罕见，被视为该领域的重要突破。此外，该传感器在琼斯比（Jones ratio）指标上达到了10¹²的卓越水平，显示出极高的探测灵敏度与商业化潜力。
杨教授指出，这项研究提出了一种全新的CPL探测机制，为光子自旋信息的获取提供了新的物理基础。其应用前景广泛，有望在量子通信、量子传感、下一代图像感知技术以及高安全性光通信系统中发挥关键作用。
相关论文题为“通过量子点光电二极管的自旋选择性电荷传输实现宽带圆偏振光探测”，由Minseo Kim 等人共同完成，发表于《Advanced Materials》2026年第28卷。
期刊信息：Advanced Materials