科学家们发明了一种传感器，它能以惊人的200%的效率将光转换成电信号 —— 这一看似不可能的数字是通过量子物理学实现的。

上图：实验中使用的光电二极管。

这种被称为光电二极管的设备的灵敏度如此之高，负责其创新的团队表示，它可能会被用于监测人的生命体征（包括心跳或呼吸频率）的技术，而不需要插入任何东西，甚至不需要连接到身体上。

光电二极管的效率通常是用它可以转换成电信号的可用光粒子的数量来衡量的。在这里，科学家们谈论的是一些密切相关但更具体的东西：光电子产率，即光子撞击传感器产生的电子数量。

光电二极管的光电子产率由其量子效率决定，量子效率是一种材料在其基本水平上产生带电荷粒子的基本能力，而不是产生的电量。

荷兰埃因霍温理工大学的化学工程师雷内·扬森（Rene Janssen）说：“这听起来不可思议，但是，我们在这里讨论的不是正常的能源效率。在光电二极管的世界里，最重要的是量子效率。它不是计算太阳能的总量，而是计算二极管转化为电子的光子的数量。”

作为起点，该团队研究了一种结合了钙钛矿和有机两种太阳能电池板电池的设备。通过堆叠电池，一层漏掉的光会被另一层接收，研究人员达到了70%的量子效率。

为了提高这一数字，引入了额外的绿灯。该传感器还进行了优化，以提高其过滤不同类型光的能力，并对完全没有光的情况做出响应。这使得光电二极管的量子效率超过了200%，尽管，目前还不清楚为什么会出现这种提高。

关键可能是光电二极管产生电流的方式。光子激发光电二极管材料中的电子，导致它们迁移并产生电荷积聚。研究人员假设，绿光可能会在一层上释放电子，只有当光子击中另一层时，电子才会转化为电流。

上图：研究人员里卡多·奥莱罗展示了光电二极管（右）如何从他的手指中获取信号。

埃因霍温理工大学的化学工程师里卡多·奥莱罗（Riccardo Ollearo）说：“我们认为，额外的绿光会导致钙钛矿层中电子的积聚。当红外光子被有机层吸收时，它就会释放电荷。换句话说，每一个通过并转化为电子的红外光子，都会得到一个额外电子的陪伴，从而使效率达到200%或更高。”

一个更高效的光电二极管，同时也是一个更敏感的光电二极管，它能够更好地从更远的距离观察到非常微小的光变化。这让我们回到了测量心脏跳动和呼吸水平的问题上。

利用超薄光电二极管（比一张报纸还要薄一百倍），研究人员测量了从130厘米（51.2英寸）外的手指反射回来的红外光的微小变化。研究表明，这可以匹配血压和心率，就像智能手表的传感器一样，只是可以在更远的距离上实现。

通过类似的设置，研究小组还测量了轻微胸部运动的呼吸频率。如果这项技术能从实验室阶段成功开发出来，它就有可能用于各种监测和医疗目的。

雷内·扬森说：“我们想看看，是否能进一步改进设备，比如让它更快。我们还想探索，是否可以临床测试该设备。”

这项研究发表在《科学进展》杂志上。

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