魔法微芯片：扭曲晶体开启光控新时代

一种采用扭曲莫尔光子晶体的新型片上传感器，可实时精确调控光特性。这项技术有望用一块紧凑的高性能芯片取代笨重的光学系统。

扭曲莫尔光子晶体——这种前沿光学超材料——为构建更小巧、更强大、功能更丰富的光学系统带来巨大希望。但它们的运作机制究竟如何？

想象两块带有简单重复图案（如条纹或方格）的织物。当它们完全对齐叠放时，每个图案都清晰可见。但若对其中一层稍作旋转或位移，全新的复杂图案就会浮现——这些图案在单层织物中并不存在。

图片:Twisted-Moire-Photonic-Crystals-scaled.png

通过扭曲与堆叠实现光调控

这一原理同样适用于扭曲莫尔光子晶体。当晶体层发生旋转或间距变化时，它们与光的相互作用方式也随之改变。通过精细调节扭曲角度和层间距，研究人员可对材料进行微调，实现对光相位、偏振、波长等多重特性的同步控制。这为用单一紧凑设备替代多个笨重光学元件开辟了道路。

然而，科学家此前始终未能将这类晶体集成到能主动实时调控层间扭曲角度与间距的装置中，严重限制了其应用场景。

片上设计的重大突破

近期，哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）联合斯坦福大学和加州大学伯克利分校的研究团队，开发出一款基于MEMS技术的片上扭曲莫尔光子晶体传感器。该装置能实时控制晶体层间间隙与角度，同步检测并收集详细的偏振与波长信息。

这项4月3日发表于《自然·光子学》的研究由美国国家科学基金会、DARPA、美国空军科研办公室及海军研究办公室资助。样品制备在哈佛纳米系统中心完成，该中心隶属国家纳米技术协调基础设施网络，同样获得美国国家科学基金会支持。

紧凑、可调、高性能

SEAS物理学与应用物理学教授、论文资深作者Eric Mazur表示："扭曲莫尔光子晶体具有高度可调光学特性、精确光控能力、紧凑可扩展设计，以及在各类先进光子技术中的广泛应用潜力，是打造更小更强光学系统的理想选择。"

论文第一作者、SEAS博士后Haoning Tang指出："我们的研究不仅展示了精确控制下这类材料的强大性能，更为开发适用于多功能光操控与信息处理的平面光学器件提供了可扩展路径。"

面向规模化制造的设计

在这款哈佛研发的装置中，光子晶体层置于垂直与旋转驱动器上，通过电极连接。整套设备仅数毫米尺寸，采用CMOS兼容工艺制造，意味着可通过标准代工厂纳米加工技术实现量产。

研究团队证明，通过驱动器改变光子晶体层的间距与旋转角度，可实现同步高光谱与高偏振成像——传感器捕捉的每个像素都包含电磁频谱全域信息及偏振态详细信息。这是首款具备主动调谐功能、可获取光多重特性详情的设备。

跨行业应用潜力

Tang表示："这类设备在量子计算、数据通信、卫星或医疗扫描等领域具有广泛应用前景，特别是在需要清晰图像及光色详细信息的关键场景中。"

未来，研究团队计划为设备赋予更复杂的调谐能力，包括开发具有更多自由度的驱动器。这项突破性技术或将彻底改写现代光学系统的设计规则，开启光控技术的新纪元。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01650-z