多维信息的计算重建。图片来源：《自然・光子学》（2025 年）。https://doi.org/10.1038/s41566-025-01650-z

扭曲莫尔光子晶体 —— 一种先进的光学超材料，在研发更小巧、性能更强、功能更强大的光学系统的竞争中展现出了巨大潜力。它们是如何工作的呢？

想象一下，你有两块带有规则图案（比如条纹或方格）的织物。当你把两块织物直接叠放在一起时，你能清楚地看到每一个图案。但如果你稍微移动或扭转其中一块织物，就会出现原本两块织物中都没有的新图案。

在扭曲莫尔光子晶体中，各层的扭转和重叠方式会改变材料与光的相互作用。通过改变扭转角度和层间距，这些材料可以进行微调，从而同时控制和操纵光的不同方面 —— 这意味着通常需要多个光学组件才能同时测量光的相位、偏振和波长，而现在可以用一个设备来替代。

然而，研究人员一直无法将扭曲莫尔光子晶体集成到能够实时主动控制层间扭转和距离的设备中，这严重限制了它们的应用。

现在，哈佛约翰・A・保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员与斯坦福大学、加利福尼亚大学伯克利分校合作，开发出了一种片上扭曲莫尔光子晶体传感器。该传感器利用微机电系统（MEMS）技术实时控制晶体层之间的间隙和角度，能够同时检测和收集详细的偏振和波长信息。

这项研究成果发表在《自然・光子学》杂志上。样品的制作是在哈佛大学纳米系统中心完成的。

“扭曲莫尔光子晶体有望用于研发更小巧、更强大的光学系统，因为它们具有高度可调节的光学特性、精确的光控制能力、紧凑且可扩展的设计，并且在各种先进光子技术中具有广泛的应用潜力，” 哈佛约翰・A・保尔森工程与应用科学学院的物理学与应用物理学巴尔坎斯基教授、该论文的资深作者埃里克・马祖尔（Eric Mazur）说道。

“我们的研究展示了在实现精确控制时这些材料的强大之处，并为创建适用于多种光操纵和信息处理任务的综合性平面光学器件开辟了一条可扩展的道路，” 哈佛约翰・A・保尔森工程与应用科学学院的博士后研究员、该研究的第一作者唐浩宁（音译）说道。

在哈佛研发的这个设备中，光子晶体层位于垂直和旋转致动器上，并与电极相连。整个设备只有几毫米大小，可以使用与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的工艺进行制造，这意味着它可以通过标准的代工厂纳米制造工艺进行大规模生产。

封装好的 MEMS-TMPhC 设备与印刷电路板进行引线键合的侧视图。图片来源：《自然・光子学》（2025 年）。https://doi.org/10.1038/s41566-025-01650-z

研究人员证明，通过使用致动器改变光子晶体层的距离和旋转位置，他们可以进行同时高光谱和超偏振成像 —— 这意味着传感器捕获的每个像素都包含来自整个电磁光谱的信息以及关于偏振状态的详细信息。这是首个具有主动调谐功能、能够展示光的多种属性详细信息的设备。

“这些设备可用于一系列应用，包括量子计算、数据通信、卫星或医学扫描，在这些应用中，获取清晰的图像以及关于光和颜色的详细信息非常重要，” 唐浩宁说道。

未来，这些设备将具备更复杂的调谐能力，包括具有更多自由度的致动器。

更多信息：Tang, H. 等人，《用于光谱偏振超成像的自适应莫尔传感器》，《自然・光子学》（2025 年）。doi.org/10.1038/s41566-025-01650-z。www.nature.com/articles/s41566-025-01650-z

期刊信息：《自然・光子学》

由哈佛约翰・A・保尔森工程与应用科学学院提供