近日，复旦大学物理学系修发贤课题组基于各向异性二维材料ReS2和压电材料LiNbO3，发现了可被声表面波调控的光电响应各向异性，并使用机器学习算法实现了对光的多维度同时探测。2026年4月10日，相关成果以《由声电控制的光电各向异性实现的可重构偏振探测》(Acoustoelectric Control of Optoelectronic Anisotropy for Reconfigurable Polarimetry)为题在线发表于期刊《科学·进展》(Science Advances 12, eaec4337 (2026))。该项工作由复旦大学物理学系修发贤课题组、微纳电子器件与量子计算机研究院张成课题组合作完成。

光的偏振是与强度、波长并列的基本物理属性，携带了丰富的信息，在光通信、光学成像、环境感知等领域具有不可替代的作用。传统偏振测量仪通常依赖时间分割、振幅分割、孔径分割或焦平面分割等方案，需要使用偏振片、波片、分束器等光学元件来实现光场的空间或时间分离。这些系统虽然行之有效，但往往体积庞大、机械结构复杂，且难以进行片上集成。近年来，一种新兴的替代方案引起了广泛关注，即利用低对称二维材料的本征各向异性来实现偏振光电探测。

然而，单一各向异性材料的响应具有二重对称性，无法区分镜像对称的线偏振态，因而限制了全面的偏振表征能力。为突破这一对称性限制，学术界已探索了多种策略，包括将晶轴错位排列的二维材料进行堆叠，以及集成具有人工各向异性的纳米结构超表面等。虽然这些方案可以扩展偏振探测能力（例如实现全斯托克斯测量），但其响应完全由制备时定义的层间取向或几何结构决定，本质上是静态的、缺乏动态可调性。

在本工作中，研究团队提出了一种全新的思路：将压电衬底上的表面声波与二维半导体耦合，实现对器件偏振响应的动态、原位控制。表面声波由耦合的应力场和压电场组成，集中在压电衬底表面传播。实验中，研究团队将薄层ReS2转移堆叠至128° Y切LiNbO3衬底上，并在衬底表面制备叉指换能器以激发表面声波。研究团队首先在器件中展示了声电耦合控制的光电响应。光电压扫描测量显示，ReS2邻近的衬底区域展现出显著的光伏信号。考虑到LiNbO3的宽能隙（3.56 eV），这一对于低于能隙能量光的响应行为出乎意料。且对照实验表明声表面波与这一反常信号密切相关，暗示其背后存在超越传统光生电子-空穴对机理的声电耦合机理。

为此，研究团队提出了如下的机理模型：叉指换能器激发的表面声波沿LiNbO3表面传播，在ReS2中产生声电效应。而激光照射可以引起局域温升，导致材料热膨胀并改变其弹性、压电和介电系数，进而改变局域的声速，引起声波的散射和反射，从而使声表面波幅值衰减。受激光调制的声表面波与ReS2相互作用，进一步产生受调制的声电信号。这一新机理被称为光热-声电效应。

图1. 光热-声电机理和基于此效应的多维度光电探测。a，光热-声电效应的机理示意图。b，实验测量得到的，不同光照条件下叉指换能器传输参数的对比。插图为叉指换能器的光学图像。标尺代表200微米。c，有限元仿真得到的，不同条件下叉指换能器传输参数的对比。d，随机森林算法示意图。e，训练后算法对功率的预测结果。灰色区域代表实验误差。f，训练后算法对偏振角度的预测结果。数据点颜色代表所属功率。灰色区域代表实验误差。

为验证这一机理，团队测量了叉指换能器的传输参数S21。在聚焦型叉指换能器中，光照导致传输系数整体在频率上的移动，和衬底升温造成的变化一致。而在平面型叉指换能器中，光照导致传输参数幅值的下降。使用有限元仿真软件COMSOL对平面型叉指换能器建模，计算得到的传输参数在光照下的变化行为和实验测量结果高度一致，强有力地支持了声表面波衰减的光热起源。

随后，研究团队还发现光热-声电机理存在线偏振依赖，且其偏振依赖对称性和声表面波传播方向不一致。使用偏振拉曼光谱表征128°Y切LiNbO3衬底的各向异性，发现其拉曼散射峰强度展现出与光热-声电信号相同的对称性。此外，声表面波的相位变化也表现出相同的偏振依赖对称性。这些发现揭示了光热-声电机理的偏振依赖性根植于128°Y切LiNbO3衬底的对称性。

基于上述机理，研究团队设计并制备了由少层ReS2和两组正交叉指换能器组成的器件。当改变声波功率时，可以实现对偏振依赖对称性的动态调控。接着，研究团队利用该器件演示了对光功率和线偏振的同时探测。通过分别施加不同方向的声表面波以及

施加声表面波，可获取三个不同的光电响应参数。研究团队训练随机森林算法来提取这些光电响应中编码的光信息。结果显示，训练后的模型对光功率预测的均方根误差仅为0.40，对线偏振角度预测的均方根误差为10.21，均小于实验的误差范围，充分证明了光热-声电效应用于多维度光电探测的可行性。

综上所述，该工作建立了一种由声电耦合驱动的全新光电效应。其中光照通过光热效应调制表面声波幅度，进而调控声电响应。传输参数的实验和模拟表明其起源于升温引起的体积膨胀和材料系数变化。尤为重要的是，表面声波使得ReS2/LiNbO3异质结构的偏振响应能够被连续、动态地重新配置，从而在紧凑的平面架构中实现光功率和线偏振态的同时测量。这项工作展示了二维材料中声电工程的全新范式，为可重构多维度光电探测开辟了新的方向。

该项研究工作得到了复旦大学物理学系、应用表面物理国家重点实验室、国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市基础研究特区计划项目的大力支持与资助。论文的第一单位为复旦大学物理学系。复旦大学物理学系修发贤教授、微纳电子器件与量子计算机研究院张成研究员为通讯作者。修发贤课题组博士生蒋昶、张成课题组博士生顾嘉明为共同第一作者。

修发贤课题组主要从事拓扑材料的生长、量子调控以及新型低维原子晶体材料的器件研究。在拓扑狄拉克材料方面致力于新型量子材料的生长、物性测量以及量子器件的制备与表征。在新型低维原子晶体材料的器件方向主要研究其电学、磁学和光电特性。