物理学家发明了光波的智能量子传感器

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来源：耶鲁大学夏奉年

这种艺术渲染描绘了被称为莫雷超材料的二维材料的智能传感过程。超材料的量子几何性质决定了它如何响应传入的光波。然后，波的基本性质由神经网络解释。

德克萨斯大学达拉斯分校物理学家及其在耶鲁大学的合作者展示了一种原子薄的智能量子传感器，可以同时检测传入光波的所有基本特性。

这项研究于4月13日发表在《自然》杂志上，展示了一个基于量子几何的新概念，可用于医疗保健、深空探索和遥感应用。

该研究的通讯作者，自然科学与数学学院物理学副教授表示：“因为通常，当你想描述光波时，你必须使用不同的仪器来收集信息，例如光的强度、波长和偏振状态。这些仪器体积庞大，可以占据光学台上的大量区域，”

现在你只有一个设备——一个微小而薄的芯片——可以在很短的时间内同时确定所有这些特性。

该设备利用了被称为莫伊雷超材料的新型二维材料家族的独特物理特性。理论物理学家张于2月2日在《自然》杂志上发表了一篇关于这些材料的评论文章。

2D材料具有周期性结构，原子薄。如果这种材料的两层被一个小的旋转扭曲覆盖，则可以形成具有紧急、数量级大周期性的莫雷图案。由此产生的莫伊雷超材料产生的电子特性与单层或两层自然对齐层表现出的电子特性有很大不同。

张和他的同事选择展示他们新想法的传感装置结合了两层相对扭曲的、自然发生的双层石墨烯，总共有四层原子层。

UT Dallas的物理博士生、该研究的联合作者Patrick Cheung表示，莫雷超材料表现出所谓的散装光伏效应，这是不寻常的。通常，你必须应用电压偏置来产生材料中的任何电流。但在这里，根本没有偏差；我们只是在莫雷超材料上发光，光线通过这种散装光伏效应产生电流。光电压的大小和相位都在很大程度上取决于光强度、波长和偏振状态。”

通过调整莫雷超材料，给定入射光波产生的光电压创造了该波特有的2D地图——就像指纹一样——并可以从中推断出波的性质，尽管这样做具有挑战性。

耶鲁大学的研究人员夏风年实验室建造并测试了该装置，在莫雷超材料的顶部和下方放置了两个金属板或门。这两个门允许研究人员调整材料的量子几何性质，将红外光波的性质编码为“指纹”。

然后，该团队使用卷积神经网络（一种广泛用于图像识别的人工智能算法）来解码指纹。

从强度、波长和偏振的光开始，通过设备照亮它，并以不同的方式调整它，以产生不同的指纹。“在用大约10000个示例的数据集训练神经网络后，网络能够识别与这些指纹相关的模式。一旦它学到了足够的知识，它就可以描述未知的光。

研究利用德克萨斯高级计算中心的资源进行了理论计算和分析，德克萨斯高级计算中心是UT奥斯汀校区的超级计算机设施。

帕特里克一直擅长铅笔和纸的分析计算——这是他的风格——但现在他已成为使用超级计算机的专家，这是这项工作所必需的。“一方面，他们作为研究人员的工作是发现新科学。另一方面，希望帮助他们的学生发现他们最擅长什么。

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