近日，69书吧 69书吧 晏善成教授团队在低维碲纳米结构非线性光学与偏振计算方向取得重要进展。相关成果以“Complementary nonlinear optics for polarimetric computing in tellurium”为题发表于国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications，DOI: 10.1038/s41467-026-75197-0）。69书吧 集成电路科学与工程学院为第一完成单位，集成电路科学与工程学院博士生刘昊、硕士生白国锴与汤传起为论文共同第一作者，万相副教授、晏善成教授与南京大学施毅院士为论文共同通讯作者。

偏振是光场中区别于强度、波长等信息维度的重要自由度，在信息安全、机器视觉、遥感成像和智能感知等领域具有广阔应用前景。然而，现有偏振敏感光学系统通常将前端感知与后端处理分离，偏振探测器主要负责信号转换，信息加密、去噪和特征提取仍依赖后续电子计算单元完成。这种体系容易产生大量冗余数据传输，带来带宽占用和处理延迟，难以满足实时化、紧凑化智能光学系统的需求。

针对上述问题，研究团队提出了一种基于一维碲纳米线和二维碲纳米片互补集成的偏振计算新范式。碲是一种具有手性螺旋链结构的单质半导体材料，在低维形态下表现出显著的光学各向异性和强二阶非线性光学响应。团队通过溶剂热方法制备了高质量碲纳米线和碲纳米片，并系统研究了其偏振依赖二次谐波产生（SHG）行为。实验发现，碲纳米线和碲纳米片均具有明显的各向异性非线性光学响应，但二者在外加偏压调控下呈现相反的SHG变化规律：碲纳米线的SHG强度随偏压幅值增加而降低，碲纳米片的SHG强度则随偏压幅值增加而增强。

（a）碲纳米结构的手性晶体结构及光学各向异性；（b）基于碲纳米结构的PUF密钥及加密/解密；（c）基于互补碲纳米结构网络的偏振图像处理。

这一互补非线性光学特性为在材料和器件层面直接执行信息处理提供了关键物理基础。在信息安全应用中，团队利用碲纳米结构的光学各向异性作为熵源，构建了基于二次谐波响应的物理不可克隆函数（PUF）。随机取向的碲纳米结构阵列可在偏振光照射下生成空间随机分布的SHG强度，经阈值化后形成稳定的二进制密钥。模拟结果显示，所生成密钥的比特均匀性接近理想值0.5，汉明距离分布集中在理论最优值0.5附近，表明其具有良好的随机性、唯一性和抗预测能力。进一步地，团队基于碲纳米线和碲纳米片并联集成的加密单元，得到加密后的无序图案，完成图像的加密和解密。在偏振图像处理方面，团队构建了由光电探测阵列驱动的碲纳米结构互补计算网络。该网络不仅可以利用碲纳米结构的光学各向异性对与目标偏振方向正交的干扰物进行光学滤除，同时，利用碲纳米线和碲纳米片相反的偏压调制SHG行为：碲纳米线分支能够保留连续目标区域并抑制离散背景噪声，碲纳米片分支能够突出目标边缘并去除冗余内部信息。二者结合，系统在40%随机背景噪声条件下仍能获得干净、连续的目标边缘图像，实现了在探测前端完成干扰抑制、去噪和特征提取。

该研究将偏振敏感探测、非线性光学调控和硬件级计算有机结合，证明了低维碲纳米结构可在光-物质相互作用的物理层直接完成光学域信息编码与预处理任务，为突破传统光学系统中“先感知、后计算”的架构限制提供了新思路，也为面向高速、低功耗、低延迟的下一代智能光学系统和边缘计算硬件提供了紧凑可行的技术路径。

该工作得到了国家自然科学基金项目（62274093、61991431、92364106、62475221）和国家重点研发计划项目（2024YFA0209100）等资助。

（撰稿：万相  初审：晏善成  编辑：吴中慧 审核：张吉良）