清华大学团队提出光谱学“粒子基”方法

过去，光谱学的发展在很大程度上被视为工程学的演进——更精的棱镜、更大的光栅、更复杂的光路，而对“光与物质的本征关系”关注相对不足。

近日，清华大学电子系副教授鲍捷团队发表在材料科学领域期刊《纳米研究》上的论文提出，光的波动性决定空间分布与干涉特性，而光的粒子性决定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所在。

论文提出，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“编码”。当把海量微小编码器（比如千万级别的量子点单元）放在一个毫米级芯片上时，每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，这种指纹体现入射光频率与材料局域能级结构之间的差异。最终，重建算法把这些指纹解码回原始光谱。

这种由材料完成频率分辨、由算法完成光谱重建的机制，标志着光谱学从“光路分光”迈向“材料分光”阶段。基于此，高分辨率不再依赖于长光路，宽谱范围可以在同一器件上覆盖，高通量不再与体积成反比。更重要的是，这个思路适合微型化和集成化，能够把光谱系统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，并把“材料—编码—算法”作为一个完整的工程闭环来看待。据了解，鲍捷团队会持续将这一原理性突破推向更深入的研究与更广泛的应用。