在近红外第二窗口运行的安纳波勒态增强二维手性光电探测器

用更温和的光看得更深

光探测器无处不在，从智能手机相机到医学扫描设备，但大多数设备体积笨重且仅针对光谱的狭窄区段进行优化。本研究报道了一种微小、超薄的光传感器，可在所谓的第二近红外窗口工作——该波段对深入生物组织成像和通过光纤传输数据特别有用。通过在纳米尺度上雕刻金属并堆叠原子厚的晶体，作者大幅提升了探测器的灵敏度，甚至让它学会区分左旋与右旋的涡旋光，这是走向紧凑多功能光学芯片的重要一步。

为什么这些微弱的光很重要

第二近红外窗口大致跨越1000到1700纳米，之所以有价值，是因为这一波段的光能较少被皮肤和组织吸收，并能在光纤中传播较长距离。常规能在此波段工作的半导体探测器，如基于InGaAs的器件，性能可靠但刚性大、成本高且难以缩小到真正的微米尺度。二维材料——仅一个原子厚的晶体——提供了另一条途径。它们柔性好、易于叠层成定制结构并与光强烈相互作用。不幸的是，它们天然的电子“带隙”通常将响应限制在可见光波段，使医用和技术上重要的近红外波段在很大程度上难以触及。

在雕刻的金属地毯上叠放原子薄片

研究团队通过将范德华异质结构——两种不同的过渡金属二硫化物单层MoS₂和WSe₂——与精心刻蚀的银质表面（称为等离激元超表面）结合来解决这一问题。该二维堆栈本身已经承载着各种束缚的电子–空穴对，被称为激子，其中包括感受两层同时影响的混合激子，略微扩展了其敏感范围。下方的银被蚀刻成规则的十字形沟槽阵列，可将入射光束束缚成高度局域化的场。在特定几何条件下，这些沟槽支持奇特的“非辐射”场分布，称为安纳波勒态和连续体中的准束缚态。这些态不是把能量以散射光的形式发回去，而是把能量囊括在非常小的体积内，正好与二维层所在位置重叠。

把罕见的双光子事件变成强信号

在近红外波段，单个光子的能量太弱，无法一次性把电子激发越过材料的带隙。因此，探测器依赖双光子吸收：两个低能光子几乎同时到达，其能量叠加后激发电子。在常规情况下，这是一个微弱的非线性过程。而在此处，超表面的强局域电场使这些罕见事件变得更常见。同样的场集中也驱动银中的振荡，产生能量较高的“热”载流子，这些载流子可以跳入二维层并贡献电流，即使光子能量低于带隙。实验证明，在关键的电信波长1550纳米处，该器件的响应度约为1.35安培每瓦——大约比将相同二维堆栈放置在普通玻璃硅芯片上高出五万倍左右。

教会探测器感知光的旋转

除了显著的灵敏度外，作者还通过设计超表面图案，使其对入射光的偏振有不同响应。通过利用水平方向和垂直方向的不同共振，他们在直线偏振光下获得了强烈的对比。然后他们有意沿一个方向破坏沟槽图案的镜面对称性，使结构在平面内呈“手性”。在圆偏振光下——电场绘出左旋或右旋螺旋——这种不对称性导致一个手性会激发强烈的场分布，而另一手性耦合得弱得多。因此，同一纳米结构区域在一种光的旋转下可产生比相反旋转多几倍的电流，在1550纳米附近的判别比可达7.2。

从实验室原型到未来光控设备

简言之，研究者们创造了一种纸片般薄的光度计，它能在一个难以探测的波段工作，把极弱的信号转化为大的电流，并能辨别光的方向和旋转——且在室温下实现。该工作展示了如何通过在纳米尺度金属表面上对光进行极端控制，结合堆叠的原子薄半导体，克服由材料带隙通常带来的限制。此类器件可用于紧凑且灵敏的生物成像传感器、光纤通信以及片上光谱学，把曾经仅限于笨重专用硬件的能力带入柔性、可集成的平台上。

引用: Zhang, Qh., Dong, Zh., Liu, K. et al. Anapole-state-enhanced 2D chiral photodetector operating in the near-infrared second window. Nat Commun 17, 2907 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69727-z

关键词: 近红外光电探测器, 二维材料, 等离激元超表面, 双光子吸收, 手性光检测