突破光谱分析技术瓶颈 中科院上海技物所研制世界领先微型非线性忆阻计算光谱仪

中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术全国重点实验室陆卫、李冠海、陈效双研究团队近日取得重大突破，成功研制出世界首 款基于非线性忆阻计算技术的微型光谱仪。该设备通过创新性结合光子忆阻器与深度神经网络算法，实现了0.18 nm级波长精度与2 nm光谱分辨率，攻克了光谱仪微型化与高性能难以兼容的行业难题。相关成果以《Nonlinear Memristive Computatioal Spectrometer》为题发表于国际权威期刊《光：科学与应用》（Light: Science & Applications），并获选为“重点推荐文章”。  

核心突破：动态能带调制与非线性计算架构  

研究团队首创非线性忆阻计算架构，利用钯离子迁移技术实现光子忆阻器的动态能带调制，突破了传统光响应矩阵的线性限制。通过精确控制钯离子在二维材料（如WSe₂同质结）中的迁移路径，设备能动态调控材料的掺杂状态（从强p型至强n型），形成多维非线性光谱响应矩阵。这一技术使微型光谱仪在芯片级尺寸（10 μm量级）下仍保持高灵敏度，响应度较传统异质结器件提升显著。  

结合深度神经网络重建算法，团队实现了光谱特征的高精度解析。实验数据显示，该设备在400800 nm可见光波段内，波长定位精度达0.18 nm，光谱分辨率达2 nm，信噪比提升超3倍。这一突破标志着光谱仪从依赖物理滤波的“静态感知”向基于动态能带调控的“智能认知”跃迁。  

技术革新：破解微型化与性能衰减矛盾  

传统光谱仪因依赖空间色散元件构建的长程光路系统，难以兼顾微型化与高性能。现有微型化技术（如光子晶体、超表面或微型干涉系统）普遍面临分辨率降低、动态范围收窄等问题。研究团队提出的新方案通过亚波长结构与非线性忆阻器件的融合，彻底替代传统光学架构：  

1. 动态能带调控：钯离子迁移工艺实现光生载流子传输效率优化，突破线性响应瓶颈；  

2. 智能算法赋能：深度神经网络实时解析非线性光谱特征，放大微弱信号差异；  

3. 工艺创新：采用二维材料同质结与微纳加工技术，降低器件噪声。  

该技术路径为光谱仪器设计提供了“软硬件协同优化”新范式，未来可扩展至红外、紫外等波段。  

应用前景：从航天探测到智能家居的跨领域革新  

新型光谱仪凭借其芯片级尺寸与高精度特性，将在以下领域发挥变革性作用：  

航天探测：搭载于卫星、探测器，实现宇宙环境实时光谱分析；  

工业检测：用于半导体材料缺陷识别、化学反应过程监测；  

智能传感：集成于物联网设备，支持智能家居环境感知与健康监测；  

医疗诊断：开发无创血液成分检测等新型医疗设备。  

据悉，研究团队表示，该技术已进入产业化筹备阶段，未来结合量子点材料与3D打印微纳加工技术，有望进一步降低成本并扩展应用场景。