2026年9月10日——电磁波谱中红外（mid-IR）部分的光在现代传感中发挥着关键作用。由于分子会以特定方式与这类光相互作用，研究人员利用中红外光谱等技术来识别生物材料、药物和污染物。中红外光还可以在自由空间光通信中充当信息载体，这种通信方式通过空气传输数据，无需使用电缆或光纤。因此，更好地控制中红外光可能带来更灵敏的探测器和更快的通信。

超表面是科学家为实现这类控制而正在探索的解决方案之一。这些超薄结构利用能够塑造和引导光波的纳米级图案构建而成。遗憾的是，迄今为止开发的大多数超表面都是静态的：一旦制造完成，其光学性质便固定不变，这限制了它们在实际光子系统中的应用。

如今，由EPFL工程学院生物纳米光子学系统实验室（BIOS）的Hatice Altug领导的研究人员，利用基于悬浮晶体硅薄膜的超表面克服了这一瓶颈。通过在硅自身内部诱导可移动电荷，研究人员可以实时改变超表面对光的响应，而无需改变其物理结构。这些器件还实现了创纪录的光学性能：与以往基于类似材料的中红外平台相比，其在关键指标上的性能提升超过一个数量级。

“通过使用纳米结构层悬浮在空气中的晶体硅，我们得以大幅降低通常限制传统中红外平台的光学损耗，”Altug解释道。该研究已发表在Nature Communications上。

从毫秒到十亿分之一秒

正如BIOS高级科学家Ivan Sinev所解释的，该团队展示了两种在不改变超表面纳米结构的情况下对其进行调谐的方法。

“在一种方法中，我们将集成电极用作微型加热器，通过电流每秒数千次地诱导硅的光学性质发生变化，”他说。“在另一种方法中，我们使用超快激光脉冲来诱导这些变化，使超表面能够在十亿分之一秒（纳秒）的时间尺度上作出响应。”

这种对光信号的快速、实时操控可以帮助通信系统更高效地传输信息，并使传感器能够快速适应不断变化的条件。

“重要的是，我们平台创纪录的光学性能并未以可扩展性为代价，因为我们使用的制造技术已经与大规模半导体生产兼容，”第一作者Felix Brikh说。

面向未来中红外光子学的平台

这项工作并非创造单一器件，而是为未来的中红外技术建立了一个多功能平台。特别是，该平台有望实现用于自由空间光通信的紧凑型低功耗器件，以及高选择性和自适应的化学与生物传感。它还可能有助于开发主动辐射冷却技术，以帮助表面释放热量，例如用于制冷或卫星热管理应用。

展望更远的未来，高光学性能与快速可调谐性的结合，有望支撑依赖精确光控制的先进光子学应用，例如量子光谱学。