旋光选择性非均质手性钙钛矿用于圆偏振分辨类视网膜传感器

为何新的光传感器很重要

我们的眼睛不仅记录亮度和颜色；它们还能适应变化的光线，并帮助我们实时理解世界。现代相机和人工眼睛仍难以匹配这种灵敏度、适应性与在硬件上处理信息的结合。这项研究提出了一种新型光传感器，它不仅能感知颜色和亮度，还能区分光的两种微妙“扭转”并在芯片上直接处理这些信息。此类传感器可用于构建能识别隐藏模式、抗光学噪声、并以新方式感知深度的人工视觉系统。

带有扭转的光

光波可以像螺旋一样扭曲，这一特性称为圆偏振。许多动物无法感知这种扭转，但有些昆虫能利用它来识别伪装或进行隐秘信号传递。现今的视觉芯片大多忽略这一额外的信息通道，只关注光的亮度和颜色。研究者着手构建“类视网膜”传感器，使其也能判断光是向左还是向右旋转，同时仍模仿人类视网膜的关键行为，例如对过去光信号的记忆、对强光或微弱光的自动调节，以及分辨颜色的能力。

内含有序性的智能材料

为实现这一目标，团队转向了一类称为手性钙钛矿的材料，这类材料通过其内部的手性天然区分左右旋的光。难点在于：在这些晶体中大量掺入手性分子通常会损害其电子特性，而减少手性分子又会削弱对扭转的敏感性。作者通过让材料自组织成非均质微结构来解决这一问题：微小晶粒的内部含有相对较少的手性分子，而晶粒之间的界面则成为富手性的区域。这些界面既作为有利于电荷在晶粒间平滑传输的桥梁，又像面内“自旋阀”，强烈偏好电子的某一自旋取向。

从扭曲光到类视网膜信号

将这种微结构材料用于晶体管式器件后，研究者构建了可分辨圆偏振的“类视网膜”传感器，即将光感测与受视网膜启发的器件内信号处理结合起来。当以相同颜色和亮度照射左旋与右旋光时，非均质器件表现出非常大的响应差异，接近此类传感器的理论极限，而且这种强烈对比在可见光大部分波段内都能保持。除了简单检测外，器件还展示出类似突触的记忆：重复的光脉冲会以依赖光的旋向、脉冲时序和颜色的方式增强电响应。它们还能对明亮与昏暗背景进行适应，逐步调整灵敏度，使得在强光眩光或几近黑暗中都能显现出图案，就像我们从阳光走入昏暗房间时眼睛的适应行为。

识别隐藏信息与虚拟深度

团队展示了这些能力如何支持高级视觉任务。在一项测试中，一个以一种旋向编码的猫图像被以相反旋向编码的大量“噪声”掩盖。新传感器阵列选择性地响应正确的旋向，有效地解密出隐藏的猫图像，随后神经网络在最强噪声条件下仍能高准确率识别该图像。在另一项测试中，两块分别对相反旋向敏感的传感器阵列扮演了类似我们双眼的角色。当观察一个偏振的3D显示器（该显示器从略微不同视点发出右旋和左旋图像）时，配对阵列捕获到这两种视图，并允许以仅数个百分点的深度误差重建物体的三维位置。

这对未来人工眼意味着什么

对于非专业读者，核心信息是：研究者已经构建出一种材料与器件结构，使相机能够感知光如何扭转（以及它的亮度与颜色），并在传感器内部直接处理这类信息。通过将手性分子精心排列，使晶粒界面在电荷传输与扭转敏感性方面承担主要作用，他们在不牺牲电子性能的前提下实现了强烈的圆偏振检测。其结果是一类紧凑、低功耗的视觉芯片，能够适应变化的光线、记忆视觉事件、读取隐藏的偏振编码并帮助重建三维场景，指向比现有相机更丰富感知能力的人工视觉系统。

引用: Yu, D., Zhang, X., Wang, T. et al. Spin-selective heterogeneous chiral perovskites for circular-polarization-resolved retinomorphic sensors. Nat Commun 17, 4587 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71190-9

关键词: 圆偏振光, 手性钙钛矿, 类视网膜传感器, 人工视觉, 类神经形态成像