新研究：基于光谱学的粒子基方法解析与应用

来源：科技日报

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科技日报记者 崔爽

长期以来，光谱学的发展在更大程度上被视为一门工程技术的演进——更精密的棱镜、更大型的光栅、更复杂的光路，而对“光与物质的本征关系”这一根本命题的关注却相对不足。

近日，清华大学电子工程系鲍捷教授团队在材料科学领域国际期刊《纳米研究》上发表论文，提出光的波动性决定了其空间分布与干涉特性，而光的粒子性则决定了它与物质能级的相互作用方式，这正是重新理解光谱学的关键。

论文指出，借助材料本身的电子能带结构，例如量子点、纳米线、钙钛矿等，不同频率的光子在材料内部会产生不同的量子响应。这种响应可以被设计成一种独特的“编码”。当把海量的微型编码器（比如千万级别的量子点单元）集中在一个毫米级芯片上时，每一个入射频率成分都会在材料编码器阵列上产生独特的量子响应。这种“指纹”反映了入射光频率与材料局部能级结构之间的差异。最终，重构算法将这些“指纹”解码，还原出原始的光谱。

这种由材料完成频率分辨、由算法完成光谱重建的机制，标志着光谱学正从“光路分光”的传统模式迈向“材料分光”的新阶段。基于此，高分辨率不再依赖于冗长的光路，宽光谱范围可以在同一器件上实现覆盖，高通量也不再与设备体积成反比。更重要的是，这一思路天然适合微型化与集成化，能够将光谱系统的尺寸缩小到可以嵌入便携设备、无人机、水下监测节点，甚至是消费类产品的级别。

据介绍，作者在理论上系统阐明了粒子基的编码机理，并将“材料—编码—算法”视为一个完整的工程闭环来看待。据了解，鲍捷团队将持续把这一原理性突破推向更深入的研究与更广泛的应用。