新光学传感器技术可检测紫外至红外波段的光子自旋信息

新光学传感器技术可检测紫外至红外波段的光子自旋信息

在DGIST能源科学与工程系，由杨志雄教授领导的研究团队成功开发出一种先进的光学传感器技术，该技术不仅能够精确探测光的强度和波长，还能捕捉其旋转方向——即光子的自旋信息。研究团队构建出一种基于量子点结构的传感器，具备检测从紫外到短波红外宽光谱范围内圆偏振光（CPL）的能力，且其性能可与商用硅基光学传感器相媲美。相关成果已发表于《先进材料》期刊。

圆偏振光（CPL）是一种在传播过程中电场呈螺旋状旋转的光，其直接反映了光子的自旋特性。这一极化信息在量子通信、量子密码学和光子信息处理等领域中扮演着关键角色，因此，开发具备CPL探测能力的光学传感器已成为全球研究的热点。

传统CPL传感器依赖于材料本身具备的手性结构，即材料的微观对称性必须与光的旋转方向相匹配，才能有效吸收和探测圆偏振光。然而，这种方法在材料选择和光谱响应方面存在明显限制，通常仅适用于紫外或可见光波段，难以拓展至对量子通信至关重要的红外区域。

为突破这一瓶颈，杨志雄教授团队提出了一种创新性的设计思路：他们并未将手性结构引入光吸收材料，而是将其整合到电子传输路径中。通过将氧化锌（ZnO）电子传输层与手性分子相结合，并将其应用于量子点光电二极管，该团队实现了对特定自旋电子的选择性传导。当由CPL激发的电子通过该层时，其电流输出因自旋状态不同而出现差异，从而实现对光旋转方向的直接检测。

这种新型量子点传感器可在紫外、可见光、近红外以及短波红外等多个波段范围内，同步探测CPL信号，实现了前所未有的宽光谱探测能力。此外，该传感器展现出高达10¹²的琼斯比，表明其在灵敏度方面具有显著优势，具备广阔的商业化前景。

研究团队认为，该成果提出了一种全新的光学传感器原理，为光子自旋信息的检测提供了可行的技术路径。这项技术有望广泛应用于量子光电子学领域，包括量子通信、量子传感、高性能图像传感器及安全光通信等多个方向。

该研究成果由Minseo Kim 等人完成，题为《基于量子点光电二极管的自旋选择性电荷传输实现宽带圆偏振光检测》，已发表于《先进材料》（Advanced Materials, 2026, DOI: 10.1002/adma.202519146）。