每台相机的核心都是传感器，无论这个传感器是由感光像素组成的集合体，还是一条35毫米胶片。但是，当你想拍摄一个非常小的物体，以至于传感器本身必须缩小到很小的尺寸，从而导致传感器性能急剧下降时，会发生什么呢？

如今，东北大学的研究人员在传感技术领域取得了突破性发现，无需缩小传感器尺寸，即可检测到小至单个蛋白质或单个癌细胞的物体。他们的突破性发现利用导波和特殊的物质状态，在极小的参数范围内实现了极高的精度。

该设备大小与皮带扣相仿，为纳米级和量子级传感开辟了可能性，对从量子计算到精准医疗等各个领域都产生了影响。

缩小的相机

过去，当科学家想要用相机拍摄非常小的物体时，相机本身的尺寸也必须相应缩小。然而，东北大学电子与计算机工程系副教授克里斯蒂安·卡塞拉指出，随着相机系统不断小型化，这项技术面临的障碍也越来越多。

卡塞拉是一位微机电技术专家，他研究的电气和机械系统通常在比头发丝还小的尺度上运行。他指出，随着相机传感器像素尺寸的减小，性能和灵敏度都会下降。那么，卡塞拉想知道，“如何在不减小像素尺寸的情况下，实现等效的像素尺寸减小呢？”

这看似自相矛盾，却迫使卡塞拉跳出固有思维模式，最终找到了东北大学电子与计算机工程系的助理教授马可·科兰杰洛。科兰杰洛、卡塞拉以及同样参与该项目的电子与计算机工程系助理教授悉达多·戈什，都在东北大学EXP大楼共用一间实验室。

科兰杰洛是凝聚态物理领域的专家，他研究固态物质在原子尺度上的行为。

他们的发现依赖于凝聚态物理学中一种称为拓扑界面态的现象。这种状态使研究人员能够将能量集中到纳米尺度的区域，从而聚焦于非常狭窄、高度局域化的区域，而不会像缩小整个装置那样导致性能下降。一纳米是十亿分之一米。

卡塞拉表示，由于其精准性，这项技术的潜在应用范围很广，从量子计算到精准医疗都可应用。他称这项研究为“一项开创性的研究，展示了一种全新的技术”，有望推动科学和工程领域的进步。

Ghosh 表示，他们的方法意味着他们避免了在试图将设备尺寸越来越小时遇到的传统限制，而是利用“一些巧妙的物理原理”来克服这些限制。

一场感官革命

研究人员将这种传感器称为拓扑导波声波传感器，他们的首次实验是概念验证，成功探测到直径为5微米的低功率红外激光。这大约是人类头发丝直径的十分之一。

“在这里，我们确实能够区分非常微弱的激发水平和非常局域化的参数，”科兰杰洛说道。他兴奋的根源主要在于这些设备开启了全新的物理研究领域。“关于这些设备背后的物理原理，目前有一些假设尚未得到验证，”他继续说道，“但对这些物理原理的深入理解也将有助于推动其实际应用。”

Ghosh 对预测这项新技术未来的重要性仍持谨慎态度，但他同时也认为这是一项非常令人兴奋的发现，为未来的研究开辟了许多途径。

在署名时，科兰杰洛和卡塞拉都对对方表示了认可。科兰杰洛赞扬卡塞拉领导了该项目，而卡塞拉则很快指出，该项目只有在科兰杰洛获得的一笔资助下才能得以实现。

“我认为，我们可能会在未来 10 年里继续研究这项技术，”卡塞拉说。

由 Northeastern University 提供