回归光的本源：波粒二象性如何重塑光谱技术的未来

许多人以为“光谱”只是把光拆成彩虹那样的颜色，然后读出哪个成分多、哪个成分少，在这一认知的指导之下，过去三百年，光谱学的发展在很大程度上被视为工程学的演进——更精的棱镜、更大的光栅、更复杂的光路——而对“光与物质的本征关系”关注相对不足。

近期，清华大学电子系鲍捷教授团队在材料科学领域国际知名期刊《Nano Research》上的论文指出，真正重要的不是又换了一个更好的器件结构，而是把问题带回“光本身”的哲学与物理本原——光的波动性决定空间分布与干涉特性，而光的粒子性决定它与物质能级的相互作用方式——这正是重新理解光谱学的关键所在。光既是波，也是粒。如此一来，光谱技术的分类与设计，不应只基于器件几何与光学构造，而应基于“光与物质如何相互作用”这一根本算子来重构。

论文中提出的普适公式I' = P(D(T(I)))，看似抽象，实则抓住了光谱测量的三层本质：入射光 I、光与材料交互的算子 T、传感映射 D，以及最后把测得信号反演成有意义光谱的算法 P。T描述光与物质的相互作用，D代表探测器将交互结果映射为电信号的过程，P为数据反演与解码算法。

把这些层次理清之后，有两件事立刻变得显而易见：第一，我们可以按照“相互作用 T 的物理本质”来区分不同类型的光谱仪；第二，我们能看到传统“波基”方法的极限和“粒子基”方法的可能。

什么叫波基？波基就是我们熟悉的那些依赖波动现象的做法。折射、衍射、干涉，这些方法有一个共同特点：它们通过操纵相位、路径差或空间频谱来分解频率。因此，要追求高分辨率，常常需要更长的光路、更精密的准直、更大的器件，这就造成了一个长期困扰：分辨率、谱宽、通量与体积之间难以两全。在大多数波基系统中，分辨率、谱宽、通量与体积之间存在工程性权衡——提升其中一项，往往需牺牲另一项。

而粒子基范式提出的是完全不同的途径：不是去依赖光的空间波动特征，而是去利用光子与材料之间“如何被吸收、散射、发射或重排”的直接相互作用。换句话说，借助材料本身的电子能带结构——例如量子点、纳米线、钙钛矿等——不同频率的光子在材料内部会产生不同的量子响应，这种响应可以被设计成一种“编码”。当你把海量微小编码器（比如千万级别的量子点单元）放在一个毫米级芯片上时，每个入射频率成分都会在材料编码器阵列上产生独特的量子响应，这种指纹体现入射光频率与材料局域能级结构之间的差异。最终，重建算法把这些指纹解码回原始光谱。

这种由材料完成频率分辨、由算法完成光谱重建的机制，标志着光谱学从‘光路分光’迈向‘材料分光’的新阶段，这就带来了革命性的优势：高分辨率不再依赖于长光路；宽谱范围可以在同一器件上覆盖；高通量不再与体积成反比。更重要的是，这个思路天然适合微型化和集成化，能够把原本只能出现在实验室里、占据整桌子的光谱系统，缩小到可以嵌入便携设备、无人机、水下监测节点甚至是消费类产品的级别。

据介绍，作者在理论上系统阐明了粒子基的编码机理，并把“材料-编码-算法”作为一个完整的工程闭环来看待，这种从原理到工程的贯通，是科学价值的重要标志。此外，论文同时保持科学的严谨性——并非全盘乐观，它也明确指出目前的瓶颈在于编码器的一致性、材料制备的稳定性以及重建算法在实际噪声与非理想条件下的鲁棒性。

对学术与产业应用而言，其价值尤为深远。清华大学电子系鲍捷教授团队一直致力于把实验室级的物质检测能力推向实用，这篇理论性极强的综述恰恰为这一目标提供了学术层面的支撑：它证明了从原理上，基于量子点等材料的粒子编码与重构方法具备把实验室级能力带出实验室的逻辑可行性；它也为相关领域在技术路线选择、研发资源配置、产业化节奏把控上提供了“理论底座”，再次证明鲍捷教授团队不仅推动前沿探索，更是掌握着一套能够主导未来光谱技术范式的原理性理解与实现路径。

范式的改变往往不是一朝一夕，它需要材料学、器件工艺、算法工程、系统集成多方面长期协同推进。业内专家表示，现在的工作，是站在历史拐点前的谋划，而这篇论文，就是那份具有里程碑意义的学术宣言，期待鲍捷教授团队将这一原理性突破持续推向更深入的研究与更广泛的应用。

来源：新华网