1.清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)反鐵磁量子反?；魻栃?yīng)新現(xiàn)象！
2.西安交大杜顯鋒教授團(tuán)隊(duì)在MIM型鋁電解電容器領(lǐng)域取得新突破
3.國家工程研究中心最新突破：磁控濺射AlN覆蓋層提升p-GaN HEMT器件性能
4.南京大學(xué)研制出感算一體的高光子利用率單光子相機(jī)
5.首款高精度量子糾纏光學(xué)濾波器問世
6.清華大學(xué)航院張一慧課題組報(bào)道具有連續(xù)變形和鎖定能力的小尺度驅(qū)動器及多模式微型機(jī)器人
1.清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)反鐵磁量子反常霍爾效應(yīng)新現(xiàn)象！
4月16日，清華大學(xué)物理系教授王亞愚，副教授張金松團(tuán)隊(duì)與合作者在Nature發(fā)表最新研究成果，團(tuán)隊(duì)研制出一種新型器件結(jié)構(gòu)：在9納米MnBi2Te4薄片中，揭示了豐富的反鐵磁自旋構(gòu)型對量子反?；魻栃?yīng)的調(diào)制，并首次發(fā)現(xiàn)面內(nèi)磁場可以增強(qiáng)量子反?；魻栃?yīng)，該研究克服了MnBi2Te4器件質(zhì)量的瓶頸，為研發(fā)未來低功耗電子器件，和推動量子技術(shù)應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。
有磁性、更干凈、可解理
為什么電子設(shè)備總發(fā)燙？其根源是芯片里的電子在“橫沖直撞”！量子反?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)加速了解決這一問題的進(jìn)程，與依賴強(qiáng)磁場的量子霍爾效應(yīng)不同，“反?！痹谟谶x取特殊材料，實(shí)現(xiàn)在零磁場條件下電子有序運(yùn)動從根本上避免了能量耗散。
2013年薛其坤院士帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在鐵磁拓?fù)浣^緣體中，首次觀測到量子反?；魻栃?yīng)，實(shí)現(xiàn)這一基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的重大突破。隨著研究的不斷深入科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)
層狀反鐵磁材料MnBi2Te4展現(xiàn)出獨(dú)特的量子特性，使其成為拓?fù)渥孕娮訉W(xué)和低能耗電子器件中的理想材料。不過該體系材料和器件的質(zhì)量普遍欠佳，量子輸運(yùn)性能調(diào)控機(jī)制研究仍存在顯著瓶頸。王亞愚、張金松團(tuán)隊(duì)與合作者自2019年開始系統(tǒng)研究MnBi2Te4薄片的輸運(yùn)行為，他們創(chuàng)新性地將氧化鋁薄膜引入MnBi2Te4器件制備的微納加工流程，極大提升了器件質(zhì)量和可重復(fù)性，實(shí)現(xiàn)在較大的參數(shù)空間，系統(tǒng)研究反鐵磁自旋構(gòu)型對量子反常霍爾效應(yīng)的調(diào)制。MnBi2Te4最大的優(yōu)點(diǎn)在于自帶磁性、更干凈、可解理且具有拓?fù)浞瞧接沟哪軒ЫY(jié)構(gòu)?；谶@些特性團(tuán)隊(duì)通過調(diào)節(jié)柵極電壓和垂直磁場在覆蓋了氧化鋁薄膜的樣品中發(fā)現(xiàn)了量子相變的級聯(lián)現(xiàn)象，揭示了復(fù)雜自旋構(gòu)型對拓?fù)溥吘墤B(tài)量子輸運(yùn)的影響。最新研究成果以“由自旋翻轉(zhuǎn)和傾斜調(diào)控的反鐵磁量子反?；魻栃?yīng)”為題，于4月16日發(fā)表在《自然》（Nature）雜志MnBi2Te4+氧化鋁薄膜的器件構(gòu)型
MnBi2Te4+氧化鋁薄膜的器件構(gòu)型
（a）MnBi2Te4的晶體結(jié)構(gòu)（b）引入氧化鋁薄膜的輸運(yùn)器件構(gòu)型示意圖（c）不同溫度下，霍爾電阻和縱向電阻隨磁場系統(tǒng)變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（d）（e）根據(jù)c圖繪制的霍爾電阻率及其導(dǎo)數(shù)隨磁場的彩色圖譜，展示了與輸運(yùn)數(shù)據(jù)對應(yīng)的豐富自旋構(gòu)型
MnBi2Te4是一種二維材料每個(gè)結(jié)構(gòu)單元，由Te-Bi-Te-Mn-Te-Bi-Te7個(gè)原子層構(gòu)成厚度接近1.4納米，由于結(jié)構(gòu)單元之間的范德華層間吸附力較弱，在實(shí)際器件制備過程中，可以通過機(jī)械解理技術(shù)，用膠帶將三維的MnBi2Te4進(jìn)行撕薄，“好像把一個(gè)千層餅放在桌子上拿起來時(shí)最下面的一層餅留在了桌子上”，通過顯微鏡找到7層的樣品，厚度約9納米，“與直徑60-80微米的頭發(fā)絲相比我們的器件厚度僅為其萬分之一”團(tuán)隊(duì)成員解釋道通過深入分析此前多個(gè)器件的性能，團(tuán)隊(duì)意識到氧化鋁和MnBi2Te4的界面可能對量子輸運(yùn)性質(zhì)具有關(guān)鍵影響，從而設(shè)計(jì)了一種新型器件結(jié)構(gòu)。在解理好的MnBi2Te4薄片的表面上沉積3納米厚的非晶氧化鋁薄膜，不僅成功實(shí)現(xiàn)了對拓?fù)浔砻鎽B(tài)的物理保護(hù)，更重要的是顯著增強(qiáng)表面層的磁晶各向異性新型器件結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，在零磁場條件下即可觀測到
量子化的霍爾電阻平臺和接近零的縱向電阻這為系統(tǒng)研究量子相變行為提供了理想平臺。
（a）（b）基于反鐵磁自旋鏈模型對7層器件在不同磁場下自旋構(gòu)型的模擬結(jié)果（c）面內(nèi)磁場對量子反常霍爾效應(yīng)的增強(qiáng)效應(yīng)（d）通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的不同面內(nèi)磁場下的熱激發(fā)能隙（e）反鐵磁自旋鏈模型在不同面內(nèi)磁場下的模擬結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定性相符
翻轉(zhuǎn)和傾斜：奇妙的自旋結(jié)構(gòu)
在給MnBi2Te4材料施加面內(nèi)方向的磁場時(shí)，量子反?；魻栃?yīng)不僅沒被削弱反而表現(xiàn)得更好“面內(nèi)磁場增強(qiáng)了量子反常霍爾效應(yīng)”，這與團(tuán)隊(duì)之前在鐵磁拓?fù)浣^緣體中觀察到的“面內(nèi)磁場會破壞量子化”現(xiàn)象，截然相反，這種特性充分展現(xiàn)了反鐵磁拓?fù)浣^緣體的獨(dú)特優(yōu)勢——抵抗外界磁場干擾，即面內(nèi)磁場越大材料表面的量子“保護(hù)罩”（能隙）就越堅(jiān)固，為提高M(jìn)nBi2Te4中的量子反?；魻栃?yīng)，提供了一種有效的原位調(diào)節(jié)手段，并為拓?fù)浞磋F磁自旋電子學(xué)的潛在應(yīng)用，打開了新思路。研究結(jié)果表明這種“反常”行為源于MnBi?Te?所特有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與反鐵磁序之間的復(fù)雜相互作用，該發(fā)現(xiàn)不僅加深了對拓?fù)淞孔游飸B(tài)的理解，更為設(shè)計(jì)反鐵磁自旋電子器件，提供了重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。該研究由王亞愚、張金松團(tuán)隊(duì)與中國人民大學(xué)物理系劉暢研究組合作完成，王亞愚、張金松和劉暢為論文的通訊作者，物理系博士生連梓臣科研助理王永超為論文共同第一作者。（清華大學(xué)）
2.西安交大杜顯鋒教授團(tuán)隊(duì)在MIM型鋁電解電容器領(lǐng)域取得新突破
電容器是電子設(shè)備中不可或缺的被動元件，在濾波、旁路、整流、耦合、阻斷、電源供應(yīng)和轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)制造、醫(yī)療設(shè)備、科學(xué)研究、新能源開發(fā)、智能電網(wǎng)建設(shè)和航空航天等諸多領(lǐng)域?qū)Ω吣芰棵}沖電容器的性能提出了日益嚴(yán)苛的要求。常見電容器類型包括薄膜電容器、陶瓷電容器和固態(tài)鋁（或鉭）電解電容器。其中，薄膜電容器憑借其高擊穿場強(qiáng)和高頻特性，在高能量脈沖應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。但其低介電常數(shù)和有限的比表面積導(dǎo)致儲能密度不足，且耐溫性較弱，縮短了其使用壽命。陶瓷電容器具有高介電常數(shù)、優(yōu)異的高頻特性和耐溫性，但其較小的比表面積和較低的擊穿場強(qiáng)限制了其儲能密度，制約了在能量脈沖領(lǐng)域的應(yīng)用。固態(tài)鉭電解電容器雖具備高擊穿場強(qiáng)、高介電常數(shù)和大比表面積，但其頻率響應(yīng)和耐溫性欠佳，加之鉭資源稀缺，難以成為脈沖電源的首選。相比之下，固態(tài)鋁電解電容器（AECs）得益于其超高的理論擊穿場強(qiáng)、同體積更高的比容量，以及同容量下耐受大電流的能力，展現(xiàn)出成為下一代高能量脈沖電容器的巨大潛力。然而，固態(tài)AECs的容量密度和電壓性能仍受限于陽極比表面積和陰極材料的導(dǎo)電性。
傳統(tǒng)固態(tài)AECs陽極材料采用減材制造工藝，通過電化學(xué)蝕刻技術(shù)在鋁箔表面構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)。歷經(jīng)六十載工藝迭代，其孔隙活化率已逼近理論極限，但垂直蝕刻形成的微孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致比表面積增益空間趨于枯竭，難以滿足新一代電子設(shè)備對能量密度的需求。針對這一瓶頸，基于增材制造原理的燒結(jié)鋁粉陽極技術(shù)展現(xiàn)出革命性突破。通過納米級鋁粉顆粒的燒結(jié)工藝，在陽極基體表面構(gòu)筑出三維分級多孔結(jié)構(gòu)。這種創(chuàng)新材料不僅實(shí)現(xiàn)了比表面積的指數(shù)級拓展，其開放互連的多向孔道更顯著改善了離子/分子傳輸動力。因此，燒結(jié)鋁粉陽極材料可為突破AECs能量密度極限提供重要前提。
此外，傳統(tǒng)固態(tài)AECs的電壓性能主要受制于低導(dǎo)電率的聚合物陰極材料（如PEDOT:PSS，100-300 S/cm2），其在高壓下易熱擊穿。盡管AAO介電層具有高擊穿場強(qiáng)特性，但商用固態(tài)AECs的最大工作電壓仍被限制在200 V以下。因此，創(chuàng)新陰極材料以提升電壓性能，是開發(fā)高能量密度電容器的另一關(guān)鍵。針對這一問題，西安交大化學(xué)學(xué)院杜顯鋒教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列研究，旨在實(shí)現(xiàn)高壓、高能量密度AECs的成功構(gòu)筑。前期，該課題組以ALD-SnO（1700 S/cm2替代AECs傳統(tǒng)聚合物陰極，ALD-Al2O3為緩沖層，創(chuàng)新性提出并構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)為SnO2/Al2O/AAO/Al的金屬-絕緣體-金屬型鋁電解電容器（MIM-AECs）。將電容器的工作溫度擴(kuò)展為-60~330°C，耐濕性提升至100% RH，電壓和能量密度分別可達(dá)7.2 V和0.82 μWh/cm2（Energy Storage Mater.2024, 103685. IF=18.9）。接著，該團(tuán)隊(duì)通過對SnO2/Al2O3/AAO多界面進(jìn)行氧等離子體與水的協(xié)同處理，鈍化了界面處氧空位缺陷位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了陰極/緩沖層/介質(zhì)層低缺陷狀態(tài)，使器件電壓和能量密度分別提升至8.5 V和1.40 μWh/cm2（Chem. Eng. J. 2025, accepted. IF=13.4）。隨后，該課題組又以500 Vf腐蝕化成鋁箔為陽極，構(gòu)筑了結(jié)構(gòu)為SnO2/AlPO4/AAO/Al的高壓MIM-AECs，將電容器的電壓和能量密度再次分別提升至260 V和8.6 μWh/cm2（J. Energy Chem. 2025, 104, 79-90. IF=14.0）。
近日，西安交大化學(xué)學(xué)院杜顯鋒教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于燒結(jié)鋁粉陽極的高能量密度 MIM型鋁電解電容器的策略。制備了燒結(jié)鋁粉（Al-P）陽極材料，其容量密度比傳統(tǒng)腐蝕鋁陽極提高了18%。同時(shí)，通過磷酸處理獲得AlPO緩沖層，構(gòu)筑了SnO2/AlPO4/AAO多層結(jié)構(gòu)，增加了界面Sn原子的擴(kuò)散勢壘，有效抑制了Sn原子向AAO的擴(kuò)散，確保了其高擊穿場強(qiáng)（5.4 MV/cm）。此外，SnO2/AlPO4/AAO 多層界面還降低了載流子遷移率，減弱了載流子加速效應(yīng)，防止了器件的局部擊穿。最終，該電容器的電壓和能量密度性能再度獲得顯著提升，分別可達(dá)380 V和11.6 μWh/cm，并遠(yuǎn)超市售固態(tài) AECs。同時(shí)，該電容器具有寬溫度窗口（-60~332°C）、高耐濕（100% RH）和高頻響應(yīng)（300 kHz）特性，遠(yuǎn)優(yōu)于目前商用AECs。這項(xiàng)研究為新型MIM鋁電解電容器在高能量脈沖應(yīng)用領(lǐng)域中奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
圖1. 450-SnO2/AlPO4/AAO/Al-P結(jié)構(gòu)HRTEM表征
圖2. Al/Ag/C/450-SnO2/AlPO4/AAO/Al-P電容器容量電壓特性
該研究成果以題為“基于燒結(jié)鋁粉陽極的高能量密度MIM型鋁電解電容器”（High Energy Density MIM-type Aluminum Electrolytic Capacitors Based on Sintered Aluminum Powder Anodes）發(fā)表在國際能源領(lǐng)域頂級期刊Energy Storage Materials（《能源存儲材料》，影響因子為18.9）。該論文的第一作者為西安交大化學(xué)學(xué)院博士研究生郭媛，論文通訊作者是西安交大化學(xué)學(xué)院杜顯鋒教授，西安交通大學(xué)為唯一通訊單位。
該研究工作是西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院杜顯鋒教授課題組在鋁電解電容器領(lǐng)域的又一研究成果，獲得國家自然科學(xué)基金和陜西省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。西安交大化學(xué)學(xué)院杜顯鋒教授長期從事電解電容器、鋰（鈉）離子電池、鋁離子電池、超級電容器、柔性可穿戴傳感器的電極材料、電介質(zhì)、電解質(zhì)、固體化、柔性化、一體化等研究。目前已在Nat. Commun., Energy Storage Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Chem. Eng. J., Small, J. Mater. Chem. A等國際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表相關(guān)研究論文近80余篇，申請發(fā)明專利50余項(xiàng)，并榮獲教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎1項(xiàng)。（西安交通大學(xué)）
3.國家工程研究中心最新突破：磁控濺射AlN覆蓋層提升p-GaN HEMT器件性能
近期，寬禁帶半導(dǎo)體國家工程研究中心郝躍院士、馬曉華教授團(tuán)隊(duì)在氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）領(lǐng)域取得重要突破，成功開發(fā)出一種基于低溫磁控濺射氮化鋁（AlN）覆蓋層的新型p-GaN HEMT器件。該成果以“Improved p-GaN/AlGaN/GaN HEMTs with magnetron-sputtered AlN cap layer”為題發(fā)表于國際權(quán)威期刊《Applied Surface Science》（中科院二區(qū)TOP期刊，影響因子6.3），第一作者為博士后賈茂，通訊作者為侯斌副教授、楊凌教授與馬曉華教授。研究通過創(chuàng)新性的AlN界面工程設(shè)計(jì)，顯著提升了器件的柵極可靠性、動態(tài)性能與長期穩(wěn)定性，為GaN功率器件的商業(yè)化應(yīng)用提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
(a)柵極反向電流，(b)柵極正向漏電流隨不同柵極面積的變化，
(c) AlN/p-GaN HEMT在不同溫度下的柵漏特性。(d)濺射AlN/p-GaN二極管的PF圖（log (J)/EAlN vs. 1000E0.5/T）。插圖：從線性提取的PF斜率和截距PF圖擬合。
(a)p-GaN層的XPS價(jià)帶和n1s核能級譜；(b)AlN層的XPS價(jià)帶和n1s核能級譜，(c)能帶
零柵偏置時(shí)AlN/p-GaN hemt的門控區(qū)圖和(d)AlN/p-GaN/AlGaN/GaN二極管的電容電壓特性。
(a)脈沖轉(zhuǎn)移特性測試原理圖，(b)脈沖轉(zhuǎn)移具有不同靜態(tài)偏置的AlN/p-GaN HEMT的特性，(c)脈沖輸出特性測試原理圖和(d)具有不同靜態(tài)偏置的AlN/p-GaN HEMT脈沖輸出特性特性。
研究團(tuán)隊(duì)采用低溫磁控濺射工藝在p-GaN柵極表面沉積AlN覆蓋層，通過X射線光電子能譜（XPS）測試證實(shí)，AlN與p-GaN界面處形成的1.2 eV價(jià)帶偏移能有效抑制柵極漏電流，改善界面質(zhì)量。與傳統(tǒng)鎢肖特基柵極p-GaN HEMT（W/p-GaN HEMT）相比，新型AlN/p-GaN HEMT展現(xiàn)出以下關(guān)鍵性能提升：閾值電壓優(yōu)化，閾值電壓（Vth）從0.61 V提升至0.82 V，器件開啟特性更穩(wěn)定；柵極可靠性突破，柵極正向擊穿電壓提升至17 V，工作電壓范圍從7 V擴(kuò)展至12 V，柵極漏電流降低3個(gè)數(shù)量級（ID/IG從104優(yōu)化至107）；界面電容-電壓（C-V）遲滯效應(yīng)顯著減小，表明界面缺陷密度降低；導(dǎo)通電阻（Ron）較傳統(tǒng)器件降低15.3%，有效減少了導(dǎo)通狀態(tài)的能量損耗。
(a)tBD分布的威布爾圖和(b)25℃下W/p GaN HEMTs的壽命預(yù)測。(c)tBD分布的威布爾圖和(d)25℃時(shí)AlN/p-GaN HEMTs的壽命預(yù)預(yù)測。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了AlN/p-GaN HEMT的柵極泄漏機(jī)制，在中壓范圍內(nèi)，泄漏電流主要由Poole-Frenkel（PF）發(fā)射主導(dǎo)?；诖四Ｐ屯扑悖骷谑覝叵碌氖陦勖畲笳驏艍海╒G）可達(dá)6.8 V（失效概率63.2%），較傳統(tǒng)W/p-GaN HEMT（5.4 V）提升26%。此外，AlN覆蓋層通過調(diào)控金屬/p-GaN肖特基接觸的耗盡區(qū)，維持了GaN溝道的高效耗盡狀態(tài)，使關(guān)態(tài)擊穿電壓進(jìn)一步提升。
磁控濺射AlN工藝具有低溫生長、成本低廉、工藝兼容性高等優(yōu)勢，可無縫對接現(xiàn)有GaN器件產(chǎn)線。研究團(tuán)隊(duì)指出，該技術(shù)有望加速p-GaN HEMT在高壓快充、新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心電源等高頻高功率場景的規(guī)?；瘧?yīng)用。本次研究由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等支持，相關(guān)技術(shù)已申請多項(xiàng)發(fā)明專利。（寬禁帶半導(dǎo)體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
3.南京大學(xué)研制出感算一體的高光子利用率單光子相機(jī)
南京大學(xué)吳培亨院士團(tuán)隊(duì)張蠟寶教授課題組聯(lián)合清華大學(xué)自動化系季向陽教授課題組，基于多維可調(diào)控的超導(dǎo)單光子探測器(SNSPD)，研制出高光子利用率的感算一體相機(jī)，平均每像素僅需0.12個(gè)光子，對三個(gè)字母圖案的分類準(zhǔn)確率即可達(dá)到90%以上。相關(guān)成果近日以“Photon-efficient camera with in-sensor computing”為題發(fā)表于《Nature Communications》。南京大學(xué)博士生管焰秋為本文第一作者；張蠟寶教授和季向陽教授為本文共同通訊作者。
在感知以及信息傳遞中，光是重要的媒介與載體。人們通過對光進(jìn)行操縱與探測可以實(shí)現(xiàn)對外部世界的探索。光電探測技術(shù)的迭代始終與人類認(rèn)知邊界的拓展深度交織。19世紀(jì)初，隨著夫瑯禾費(fèi)通過光譜儀發(fā)現(xiàn)太陽暗線，微弱光信號的精準(zhǔn)探測成為破解宇宙物質(zhì)成分的關(guān)鍵。20世紀(jì)初愛因斯坦提出的光量子理論更是將光子探測的需求推向極致。從歷史規(guī)律看，每次光子探測效率的提升，都會引發(fā)相關(guān)學(xué)科的突破。進(jìn)入21世紀(jì)，暗物質(zhì)探測、量子信息和超分辨成像等領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸亦使得高效率光子探測成為破局關(guān)鍵。同時(shí)隨著數(shù)據(jù)量的爆炸式增長，傳統(tǒng)“探測-存儲-計(jì)算”分離的探測架構(gòu)面臨延遲高、能耗大等挑戰(zhàn)。
人眼通?？梢曰跇O少的特征信息實(shí)現(xiàn)極低延遲的目標(biāo)識別。然而，目前各種類型的圖像傳感器都需要經(jīng)過探測、存儲、計(jì)算這三個(gè)分立的過程，其中信息的傳遞和讀取消耗了額外的能量，并限制了有效信息提取的效率。近期發(fā)展起來的感算一體圖像傳感器融合了感知和計(jì)算過程，可大大降低機(jī)器視覺任務(wù)的功耗和延遲。這類傳感器通常是由具有可調(diào)電學(xué)和光學(xué)特性的二維半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)的，在圖像分類、光譜分辨、運(yùn)動感知和圖像預(yù)處理等方面取得了不錯(cuò)的成果。但受限于探測器性能和工作模式，暫時(shí)還無法達(dá)到單光子靈敏度，導(dǎo)致其在弱光環(huán)境下的應(yīng)用受到限制。因此，具備單光子靈敏度的感算一體芯片已成為光電探測、人工智能和量子探測等交叉領(lǐng)域的研究前沿。
憑借單光子靈敏度和極低暗計(jì)數(shù)，超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)在可見光到紅外波段都得到了廣泛的應(yīng)用。然而隨著像元數(shù)目的增加，低溫下逐像元的信號讀出將面臨挑戰(zhàn)。目前的陣列SNSPD讀出方案，如行列復(fù)用、時(shí)分復(fù)用等，普遍存在讀出效率低、數(shù)據(jù)量大的問題，難以勝任實(shí)時(shí)的成像與目標(biāo)識別任務(wù)。突破探測-存儲-計(jì)算的傳統(tǒng)路徑而使用感算一體的架構(gòu)，是基于陣列SNSPD實(shí)現(xiàn)高光子利用效率的單光子相機(jī)的可行路徑之一。
圖1 感算一體超導(dǎo)單光子相機(jī)的系統(tǒng)示意圖
針對上述難題，研究人員通過深入挖掘陣列SNSPD的多維可調(diào)控特性，研制出一種高光子利用率的感算一體超導(dǎo)單光子相機(jī)，其系統(tǒng)示意圖和工作原理如圖1所示。其總體思路是，通過調(diào)節(jié)陣列SNSPD的偏置電流以實(shí)現(xiàn)光計(jì)數(shù)率、脈沖幅值、脈沖恢復(fù)時(shí)間及光譜響應(yīng)度的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)了光信號采集與計(jì)算的深度融合。在圖像分類任務(wù)中，首先基于字母圖案的數(shù)據(jù)集對網(wǎng)絡(luò)權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化，再通過調(diào)節(jié)各像素的偏置電流將網(wǎng)絡(luò)權(quán)重映射到陣列傳感器的計(jì)數(shù)率或脈沖波形中，最終多組偏置電流矩陣對應(yīng)的合成讀出信號即為圖像分類結(jié)果。
研究人員首先開發(fā)了高性能的陣列SNSPD并且基于該傳感器開發(fā)了兩種片上計(jì)算方案。如圖2(a-b)所示，該傳感器在405 nm~1550 nm波段都具備飽和的量子效率(量子效率接近100%)。在低偏置電流下，各像素的量子效率隨偏置電流的增加而非線性增加。當(dāng)入射光強(qiáng)不變時(shí)，提高偏置電流會使得光計(jì)數(shù)率增加。因此基于光計(jì)數(shù)率進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)數(shù)率隨偏置電流的變化曲線進(jìn)行歸一化即可得到權(quán)重和偏置電流的關(guān)系，根據(jù)多組偏置電流矩陣對應(yīng)的總計(jì)數(shù)率即可判斷圖像類別。該方案的信號采集僅需單通道計(jì)數(shù)器即可完成，設(shè)備復(fù)雜度較低。隨著偏置電流繼續(xù)增加，量子效率不再隨偏置電流增加。在固定光強(qiáng)下增加偏置電流，光計(jì)數(shù)率會保持不變。如圖2(c)所示，此時(shí)響應(yīng)脈沖的形狀仍會隨著偏置電流變化，因此基于脈沖積分面積進(jìn)行計(jì)算，其工作原理與基于計(jì)數(shù)率的方案基本一致，根據(jù)合成讀出信號的脈沖積分面積即可判斷圖像類別。該方案工作在量子效率飽和區(qū)域并且僅需單個(gè)脈沖即可實(shí)現(xiàn)權(quán)重的加載，因此具備更高的光子利用率。
圖2 陣列SNSPD的可調(diào)控光響應(yīng)特性。(a)405 nm下光計(jì)數(shù)率隨偏置電流的變化曲線；(b)1550 nm下光計(jì)數(shù)率隨偏置電流的變化曲線；(c)響應(yīng)脈沖幅值隨偏置電流的變化；(d)光計(jì)數(shù)率隨光強(qiáng)的變化曲線。
結(jié)合上述兩種計(jì)算方案，研究人員基于該相機(jī)實(shí)現(xiàn)了26字母圖案的分類。如圖3(a-c)所示，盡管DMD串?dāng)_和背景噪聲導(dǎo)致投影圖案的質(zhì)量較差，該技術(shù)對大部分字母的分類準(zhǔn)確率仍可達(dá)到95%以上。圖3(d-e)展示了針對“NJU”字母三分類進(jìn)一步分析的結(jié)果，在剔除外部光路導(dǎo)致的串?dāng)_后，平均每像素采集0.12個(gè)光子，字母三分類的準(zhǔn)確率即可達(dá)到90%以上。如圖3(f)所示，平均每像素采集0.12光子得到的字母圖案幾乎無法通過肉眼分辨，而感算一體超導(dǎo)單光子相機(jī)仍然可以基于局部的特征進(jìn)行準(zhǔn)確的分類。
圖3 基于感算一體相機(jī)的圖像分類。(a)投影圖案；(b)直接采集的圖案；(c)26字母圖案分類的結(jié)果；(d)“NJU”字母三分類的準(zhǔn)確率隨平均光子數(shù)的變化曲線；(e)無串?dāng)_情況下，“NJU”字母三分類的準(zhǔn)確率隨平均光子數(shù)的變化曲線；(f)無串?dāng)_情況下，平均每像素采集0.12光子得到的字母圖案。
進(jìn)一步的，研究人員基于可調(diào)控的光計(jì)數(shù)率實(shí)現(xiàn)了片上圖像預(yù)處理功能，包括高斯濾波、邊緣增強(qiáng)和圖像銳化。如圖4(b-d)所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果高度一致，與圖4(a)中直接采集的圖像相比，邊緣增強(qiáng)和圖像銳化操作都避免了分塊采集導(dǎo)致的塊狀響應(yīng)。此外，SNSPD具備本征的光譜分辨能力，如圖4(e-f)所示，不同波長入射光對應(yīng)的計(jì)數(shù)率曲線不同。如圖4(g)所示，通過優(yōu)化偏置電流矩陣，僅需單次采集即可實(shí)現(xiàn)入射光波長的分辨。
圖4 基于感算一體相機(jī)的圖像預(yù)處理和光譜分辨。(a)投影圖案(左)與直接采集的圖案(右)對比；(b)圖像高斯濾波的結(jié)果；(c)圖像邊緣增強(qiáng)的結(jié)果；(d)圖像銳化的結(jié)果。(e)和(f)傳感器陣列的光譜響應(yīng)特性；(g)用于光譜分辨的偏置電流矩陣和判別矩陣。
應(yīng)用與展望
本文基于多維可調(diào)控的陣列SNSPD開發(fā)了具備高光子利用率的感算一體相機(jī)。該相機(jī)具備片上圖像分類、圖像預(yù)處理和光譜分辨功能，為極弱光環(huán)境下的實(shí)時(shí)視覺任務(wù)提供了全新的解決方案，如暗弱空間目標(biāo)探測和活體細(xì)胞顯微成像等。未來結(jié)合超導(dǎo)邏輯電路與大規(guī)模陣列傳感器，有望實(shí)現(xiàn)更智能的高性能視覺系統(tǒng)。因此，本成果對于進(jìn)一步提升現(xiàn)有設(shè)備的探測能力，服務(wù)于智能感知、量子成像、生物成像以及深空探索等前沿應(yīng)用以及科學(xué)研究，具有重要的意義。目前該工作仍存在優(yōu)化空間，后續(xù)需要擴(kuò)充像素規(guī)模以提高分辨率，優(yōu)化外部光路來減少信號串?dāng)_。同時(shí)可以引入其它的片上計(jì)算單元來提高網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，從而實(shí)現(xiàn)更高階的視覺任務(wù)。
以上工作還得到了超導(dǎo)電子學(xué)研究所康琳教授、陳健教授、王華兵教授和吳培亨院士的大力支持，陳奇副研究員、王昊助理教授、涂學(xué)湊教授級高工、趙清源教授、賈小氫教授等在器件制備和論文撰寫等環(huán)節(jié)給予了幫助。該項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金等資助，實(shí)驗(yàn)工作得到了極端性能光電技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇省電磁波先進(jìn)調(diào)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和微制造與集成工藝中心等支持。（南京大學(xué)）
5.首款高精度量子糾纏光學(xué)濾波器問世
4月7日 美國南加州大學(xué)團(tuán)隊(duì)在最新一期《科學(xué)》雜志上發(fā)表研究，介紹了他們開發(fā)的首個(gè)能隔離噪聲并保留量子糾纏的光學(xué)濾波器。這一進(jìn)展為開發(fā)緊湊且高性能的糾纏系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，這些系統(tǒng)可集成到量子光子電路中，從而支持更加可靠的量子計(jì)算架構(gòu)和通信網(wǎng)絡(luò)。
量子糾纏是一種現(xiàn)象，其中兩個(gè)或多個(gè)粒子相互關(guān)聯(lián)，以至于一個(gè)粒子的狀態(tài)會立即影響其他粒子的狀態(tài)，無論它們之間相距多遠(yuǎn)。這種特性對于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行計(jì)算、安全信息傳輸以及超越傳統(tǒng)系統(tǒng)的傳感器靈敏度至關(guān)重要。然而，量子糾纏非常脆弱，容易受到噪聲或錯(cuò)誤的影響，這限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。
此次，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種新型光學(xué)濾波器。這種濾波器基于激光寫入的玻璃光通道（波導(dǎo)）排列而成，能像雕塑家去除多余材料一樣，濾去所有不必要的成分，僅保留純凈的糾纏狀態(tài)。不論入射光如何被降解或混合，該設(shè)備都能有效去除不需要的部分，只留下關(guān)鍵的量子相關(guān)性。
這項(xiàng)突破的核心在于一種名為反奇偶校驗(yàn)時(shí)間（APT）對稱性的理論物理學(xué)概念的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)不同，后者旨在避免損失并保持對稱性，APT對稱系統(tǒng)則以精確且可控的方式接受損失。通過將這種設(shè)計(jì)巧妙地結(jié)合到耗散與干涉能力之中，系統(tǒng)提供了一種獨(dú)特的方法來控制光的行為，開辟了操縱光的新途徑。
團(tuán)隊(duì)將APT對稱性嵌入到專門設(shè)計(jì)的光波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中，創(chuàng)建了一個(gè)結(jié)構(gòu)，它自然地過濾掉噪聲，并引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定的糾纏狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)利用南加州大學(xué)實(shí)驗(yàn)室生成的單光子和糾纏光子對進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，經(jīng)過APT對稱糾纏濾波器處理后，使用量子層析成像技術(shù)重建的輸出狀態(tài)證實(shí)了濾波器能以超過99%的保真度恢復(fù)所需的糾纏態(tài)。
這一成果標(biāo)志著向?qū)嵱没孔蛹夹g(shù)邁出了重要一步。
量子糾纏被稱為幽靈般的“超距作用”，但這種作用又很“脆弱”，容易受到噪聲和錯(cuò)誤的影響。此次，科研人員基于反奇偶校驗(yàn)時(shí)間（APT）這一理論物理學(xué)概念，開發(fā)出一款能隔離和保留量子糾纏的光學(xué)濾波器。他們的設(shè)計(jì)主動利用可控的損耗來控制光的行為，精準(zhǔn)過濾影響量子糾纏的“噪聲”。量子糾纏的脆弱性長期制約其實(shí)際應(yīng)用，濾波器實(shí)現(xiàn)了主動隔離，為量子計(jì)算機(jī)、量子通信等提供了“凈化功能”，讓量子技術(shù)朝實(shí)用化邁出堅(jiān)實(shí)一步。（中國日報(bào)網(wǎng)）
6.清華大學(xué)航院張一慧課題組報(bào)道具有連續(xù)變形和鎖定能力的小尺度驅(qū)動器及多模式微型機(jī)器人
4月21日形狀重構(gòu)能力可賦予機(jī)器人豐富多樣的運(yùn)動模式，極大提升機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力。當(dāng)前，這類機(jī)器人主要通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)形態(tài)改變：一是采用舵機(jī)等機(jī)械結(jié)構(gòu)精確重構(gòu)；二是依靠智能材料制成、兼具變形和鎖定能力的變剛度驅(qū)動器。對于研究人員而言，減小電機(jī)尺寸與質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜變形能力頗具挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有驅(qū)動器在小尺度（如<5cm）下，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的形狀變化與構(gòu)型鎖定，也難以達(dá)成同源且解耦的變形與鎖定控制，嚴(yán)重制約了多模式機(jī)器人向微型化與無線化發(fā)展。
近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（柔電國重）張一慧教授課題組采用材料與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)的策略，提出了一種具有連續(xù)形狀變化和構(gòu)型鎖定能力的薄膜形電熱響應(yīng)驅(qū)動器的設(shè)計(jì)概念。與其他具有變形及鎖定能力的驅(qū)動器相比，該類驅(qū)動器具有最小的尺寸以及最大的彎曲變形角度。在此基礎(chǔ)上，課題組研制了具有復(fù)雜變形模式的薄膜單胞和塊體單胞，進(jìn)而構(gòu)建起一套“搭積木”式的設(shè)計(jì)方法，可用于制備具有復(fù)雜形狀重構(gòu)能力的驅(qū)動器（如“變形金剛”等）（圖1）。
圖1.具有連續(xù)變形和鎖定能力的小尺度驅(qū)動器。（a）為驅(qū)動器的變形和鎖定示意圖；（b）為基于“搭積木”設(shè)計(jì)策略的“變形金剛”驅(qū)動器。（比例尺：10mm）
該驅(qū)動器具備優(yōu)異的變形和鎖定能力以及較強(qiáng)的承載特性，可作為可重構(gòu)外骨骼，用以集成傳感器、電機(jī)等功能元器件，進(jìn)而構(gòu)建復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)（圖2）。基于此，課題組設(shè)計(jì)制備了具有復(fù)雜變形重構(gòu)能力的三維顯示器件、可在多種構(gòu)型（如“跑車”“飛車”和“貨車”）間切換的多功能微型輪式機(jī)器人，以及世界上最小、最輕的微型無線陸空兩棲機(jī)器人（體長9cm；質(zhì)量25g；其地面運(yùn)動速度為每秒18.2個(gè)身長）。
圖2.基于該驅(qū)動器的可重構(gòu)系統(tǒng)。（a）為多功能微型輪式機(jī)器人；（b）為微型陸空兩棲機(jī)器人；（c）-（d）為微型陸空兩棲機(jī)器人的戶外運(yùn)動場景展示。（比例尺：（a）10mm、（b）30mm）
4月18日，相關(guān)研究成果以“具有連續(xù)三維變形和鎖定能力的可重構(gòu)機(jī)器”（Transforming machines capable of continuous 3D shape morphing and locking）為題，在線發(fā)表于《自然·機(jī)器智能》（Nature Machine Intelligence）。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（柔電國重）教授張一慧為論文通訊作者，航天航空學(xué)院2020級博士生徐世威為論文第一作者。論文作者還包括清華大學(xué)航天航空學(xué)院2021級博士生胡笑男、2024級博士生臧傳奇、2023級博士生羊佑舟、2022級博士生賴禹辰、2018級博士生鄔軍，航天航空學(xué)院博士后楊若曦、肖越、劉文博、龐文博、劉卿，柔電國重副研究員柏韌恒，以及清華大學(xué)機(jī)械工程系副教授趙慧嬋、北京航空航天大學(xué)教授文力、北京航空航天大學(xué)博士生田博丞和李磊。研究得到國家自然科學(xué)基金委、科學(xué)探索獎、清華大學(xué)國強(qiáng)研究院等的資助。（清華大學(xué)）
