新一代声波传感器实现纳米级检测

传感器在现代成像系统中扮演着至关重要的角色，无论是基于像素阵列的数字图像传感器，还是传统的胶片结构。然而，当目标对象的尺度缩小到纳米甚至亚微米级别时，传感器本身的尺寸也往往需要随之压缩，而这一过程通常会导致灵敏度和分辨率的显著下降。

东北大学的研究团队近期在传感技术领域取得了一项重大突破，他们开发出一种无需缩小传感器尺寸即可实现超高灵敏度检测的新方法。该技术结合了导波技术和拓扑界面态的特性，成功捕捉到小至单个蛋白质或癌细胞级别的目标。

该设备的体积仅与一枚皮带扣相当，却具备实现纳米乃至量子级传感的潜力，为包括量子信息处理、精准医疗在内的多个前沿领域提供了全新的技术路径。

微小型成像系统的挑战

过去，当科研人员尝试对极小尺度的物体成像时，通常需要同步减小相机的物理尺寸。但随着设备不断微型化，工程与物理上的挑战也逐渐显现。

克里斯蒂安·卡塞拉，东北大学电子与计算机工程系副教授，专注于微机电系统（MEMS）的研究。他表示，随着像素尺寸的缩小，图像传感器的性能和响应能力往往会下降。“问题在于，我们如何在不改变像素物理尺寸的前提下，实现等效的探测能力？”卡塞拉提出的这一问题成为研究的突破口。

为了解决这一难题，卡塞拉与微纳米传感器专家马可·科兰杰洛展开合作。两人与电子与计算机工程系的悉达多·戈什教授共同在EXP大楼内的联合实验室中推进研究。科兰杰洛在凝聚态物理领域具有深厚积累，长期关注固体材料在原子尺度上的行为。

这项研究的关键在于一种被称为拓扑界面态的物理现象。这种现象允许能量在纳米尺度上高度集中，从而在极小区域内实现高分辨率探测，而不会引发因整体设备缩放而带来的性能损失。一纳米相当于十亿分之一米。

卡塞拉指出，这项成果的应用前景广泛，可覆盖量子计算、生物医学成像及环境监测等多个领域。他形容这项研究为“具有开创性意义”，预示着传感技术的革新。

戈什则表示，研究团队采用了一种基于物理原理的创新方法，成功规避了传统微型化过程中遇到的诸多限制。

研究人员将该设备命名为拓扑导波声波传感器，其首次实验实现了对5微米直径低功率红外激光的高精度探测，这一尺度大约相当于人类头发直径的十分之一。

“我们成功分辨了微弱的信号波动和高度局域化的参数变化，”科兰杰洛表示。他强调，这些传感器不仅拓展了实验物理的研究边界，也为相关理论模型的验证提供了平台。

尽管戈什对未来应用持谨慎乐观态度，但他也认为，这项技术代表了一次重要的科学突破，并为后续研究开辟了多个新方向。

在谈及研究合作时，科兰杰洛与卡塞拉均对彼此的贡献给予了高度肯定。卡塞拉提到，整个项目得以启动，离不开科兰杰洛在经费申请方面的重要支持。

“我预计，在未来十年内，我们还将继续深入探索这项技术的潜力，”卡塞拉总结道。

资料由 Northeastern University 提供。

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