第一作者：任宇罡博士

通讯作者：任宇罡博士、James Millen教授

通讯单位：英国伦敦国王学院物理系

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65677-0

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英国伦敦国王学院James Millen教授团队提出并验证了一种基于神经形态成像技术对可扩展的微米粒子阵列进行检测与冷却的方法。该工作突破了传统光学检测在多粒子控制中的瓶颈，为实现大规模量子传感器阵列奠定了基础。研究团队使用单个事件相机，成功实现了对保罗阱中悬浮微米粒子（直径5um）阵列质心运动的高带宽、低数据量的实时追踪。通过结合现场可编程门阵列（FPGA）进行实时信号处理，通过反馈同时冷却三个未耦合粒子的运动，展示了神经形态传感在微观尺度上的实时控制。

实验表明，该方法的追踪能力（理论上可扩展至数百个粒子）与冷却性能主要受限于反馈电子学的输出通道数，而非探测本身，证明了其卓越的可扩展性。这项工作为解决大规模悬浮传感器阵列的并行读取与控制这一关键挑战提供了一条高效、低功耗（约27.6 mW）的技术路径，为未来实现高灵敏度传感器融合、量子纠缠等应用奠定了基础。

背景介绍

现代技术从移动设备中的加速度计到可穿戴健康监测器都依赖于机械传感器。随着传感器的微型化，其表面积与体积之比也会增加，导致传感器通过热接触和表面应变耗散更多能量，从而限制了其性能。在超高真空下利用光场、电场或磁场悬浮纳米或微米粒子，可以创造出一种具^{有极低耗散特性的机械振子。目前该悬浮谐振子已经实现了幺牛顿级别的力灵敏度和10-27 N m Hz-1/2}级别的扭矩灵敏度，悬浮传感器的品质因数超过10^-10，这些特性促使研究人员得以利用这些系统搜寻暗物质和引力波。

通过对悬浮粒子的控制可以探索广泛的基础科学问题，而实验中将光势中的粒子冷却至基态则打开了宏观量子物理的大门。该领域中一个新兴的前沿探索是对粒子阵列的研究，在量子领域，这将可以产生纠缠并测试量子引力理论。目前，人们已经在光阱、电（保罗）阱和磁阱中观察到了悬浮纳米粒子对之间的相互作用。迄今为止，在真空中检测和控制多个粒子主要通过对进行单粒子控制实现协同冷却，或者使用小型光阱阵列。有些应用则需要控制由数十甚至数千个悬浮粒子组成的阵列。

研究出发点

1）本研究使用集成了动态视觉传感器（DVS）的事件相机来监测悬浮粒子阵列的质心运动，其带宽（1 kHz）足以实现对阵列中多个非耦合粒子的同步实时反馈控制。

2）通过实施冷阻尼反馈来冷却悬浮粒子的质心运动，这是一种已被证明具备量子基态冷却能力的技术。研究将单个微米粒子冷却至几开尔文的温度，并对多个粒子的单个自由度进行冷却。在本工作中，同时控制的物体数量仅受限于反馈电子设备的输出通道数量。该方法仅需单一探测设备即可冷却并控制粒子阵列，且得益于神经形态检测固有的低数据输出特性，因而具备极佳的可扩展性。

3）由于神经形态探测器的低功耗特性，该研究提出的方法非常适合集成到芯片级技术中。

图文解析

图1(a)为实验装置的示意图，该实验系统具体由线性保罗阱、神经形态事件相机（EBC）及FPGA反馈系统组成。EBC通过异步触发捕捉在单个像素上光强变化的事件，从而实现对多个运动目标的高带宽、低数据量跟踪。在图1(c)中，通过使用单个EBC成功对相机视场中10个随机分布的微米粒子阵列进行了实时、独立的跟踪与识别。该实验直观验证了神经形态成像技术在多粒子并行探测上的独特优势，其低数据冗余特性为后续大规模的实时反馈控制奠定了技术基础，证明了该架构用于大规模粒子阵列操作的可行性。

图1. 对悬浮粒子阵列的神经形态探测

为了分析悬浮粒子阵列的复杂动力学特征并观测粒子间的相互作用，研究团队对EBC采集的实时位置数据进行处理，重建了四个粒子的二维运动轨迹并计算了其功率谱密度。轨迹图显示各粒子运动幅度存在差异，反映了它们因电荷质量比不同而在阱势中的非均匀分布。功率谱密度分析则清晰展示了每个粒子独立的质心运动模式，同时，研究发现在x轴方向能观测到四个粒子的集体共振模式，直接证明了粒子间通过库仑相互作用发生了耦合。实验中通过使用滤波器可以选择特定的粒子质心运动模式进行针对性操控。

图2. 多粒子运动轨迹与频谱分析

为了系统研究冷阻尼反馈对悬浮微米粒子的冷却效果并探索冷却极限，实验测量了单粒子在不同反馈参数下的运动功率谱密度与质心温度。结果表明，通过调节反馈增益与相位，可有效降低粒子的运动质心^{温度，在10-3}mbar气压下可将粒子冷却至系统的噪声极限（6.8±0.7）K，对应 17 dB 的冷却效果。未来若需提升冷却效果，可考虑的优化途径包括：改善粒子照明与成像质量，抑制悬浮系统的电子噪声，以及将事件相机的通用跟踪算法升级为定制化的优化算法。通过上述改进，目标跟踪技术将有望突破现有精度，最终实现对悬浮微粒的散粒噪声极限追踪。

图3. 单个粒子的反馈冷却

为了验证所述方法对粒子阵列进行并行控制的可扩展性，研究团队依次实现了从单粒子多模式到多粒子单模式的同步冷却。实验从冷却单个粒子的两个正交运动模式（x轴和z轴）开始，继而实现了对两个粒子同一模式（z轴）的同时独立冷却，并最终同时冷却了三个不同粒子沿着z轴的运动模式，这也是首次实现了超过两个悬浮粒子的同步冷却。所有步骤均观察到显著的冷却效果，因此基于神经形态检测配合并行反馈通道，具备独立、同步操控多个粒子运动状态的能力。

图4. 多粒子并行冷却的可扩展性演示

总结与展望

本研究提出并验证了一种利用单个神经形态事件相机，对真空中悬浮微粒阵列进行可扩展检测与反馈冷却的方法。该工作的核心创新在于，将高带宽、低数据冗余的神经形态成像技术应用于多粒子运动跟踪，并结合基于FPGA的实时信号处理，首次成功演示了对三个非耦合悬浮粒子质心运动的同步独立冷却。实验证明，该方法的粒子追踪能力仅受限于反馈电子学的输出通道数量，其低功耗和数据处理优势使其具备了向操控上百个粒子规模扩展的潜力。这项工作为解决大规模悬浮传感器阵列的并行读取与控制这一关键挑战，提供了一条高效且可扩展的技术路径。

课题组介绍

James Millen教授课题组主页: https://levi-nano.com/

原文信息

Ren, Y., Siegel, B., Yin, R. et al. Neuromorphic detection and cooling of microparticles in arrays. Nat Commun 16, 10658 (2025).