據(jù)日本筑波大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校研究人員創(chuàng)造出一款具有無(wú)法偽造的獨(dú)特彩色圖案的毫米尺寸芯片。

背景

如今，假貨已經(jīng)成為影響十分廣泛的全球性問(wèn)題。形形色色的假貨充斥著各行各業(yè)，例如假藥、假酒、假幣、假證件、假服裝、假電子產(chǎn)品等。這些假冒偽劣產(chǎn)品，不僅嚴(yán)重侵害消費(fèi)者的合法權(quán)益，也對(duì)正品生產(chǎn)商的經(jīng)營(yíng)造成惡劣影響，嚴(yán)重妨礙社會(huì)資源的有效利用。

形形色色的假貨(圖片來(lái)源：蘭卡斯特大學(xué))

為了遏制假貨的蔓延，各種防偽和安全認(rèn)證技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其中比較典型的有密碼技術(shù)、RFID技術(shù)、全息技術(shù)、指紋識(shí)別技術(shù)、虹膜識(shí)別技術(shù)、物理不可克隆技術(shù)(PUF技術(shù))。此外，筆者先前也介紹過(guò)一些創(chuàng)新型的防偽技術(shù)，主要是關(guān)于防偽標(biāo)簽與標(biāo)記。接下來(lái)，通過(guò)三個(gè)例子帶大家回顧一下：

案例一：瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的納米水印防偽技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)在玻璃或陶瓷上打納米水印來(lái)防偽。具有這種水印的產(chǎn)品，對(duì)于裸眼來(lái)說(shuō)不可見(jiàn)，只有在紫外線下才可見(jiàn)，可用于防偽。

(圖片來(lái)源：瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 )

案例二：英國(guó)蘭卡斯特大學(xué)的研究人員發(fā)明的專(zhuān)利技術(shù)。該技術(shù)利用石墨烯及其他二維材料的“缺陷”創(chuàng)造出原子級(jí)的、無(wú)法復(fù)制的唯一標(biāo)識(shí)。用戶(hù)只要用手機(jī)掃描一下標(biāo)簽，就能判斷出商品真?zhèn)巍?/p>

(圖片來(lái)源：蘭卡斯特大學(xué))

案例三：德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)和蔡司(ZEISS)公司的研究人員提出采用3D打印的微觀結(jié)構(gòu)，例如全息圖，制作新型防偽標(biāo)簽以改善防偽保護(hù)。

(圖片來(lái)源：Frederik Mayer/KIT)

創(chuàng)新

近日，日本筑波大學(xué)的研究人員采用“耳語(yǔ)廊效應(yīng)”的基礎(chǔ)原理來(lái)阻止造假者制造假貨。相關(guān)論文發(fā)表在《Materials Horizons》雜志上。

技術(shù)

耳語(yǔ)廊效應(yīng)

英國(guó)倫敦圣保羅大教堂內(nèi)有一個(gè)設(shè)計(jì)奇特的環(huán)形結(jié)構(gòu)回廊，也稱(chēng)為“耳語(yǔ)廊”。當(dāng)兩個(gè)人貼近回廊內(nèi)壁站立時(shí)，即使一個(gè)人在一端對(duì)著回廊竊竊私語(yǔ)，走廊另一端與他相隔遙遠(yuǎn)的另一個(gè)人也可以清楚地聽(tīng)到，猶如耳邊低語(yǔ)，“耳語(yǔ)廊”也因此得名。

倫敦圣保羅大教堂內(nèi)的耳語(yǔ)廊(圖片來(lái)源：維基百科)

早在19世紀(jì)，英國(guó)著名科學(xué)家瑞利勛爵(Lord Rayleigh)就首次分析了其中的聲學(xué)原理并給出了物理解釋。他認(rèn)為：這是由于聲波沿著回廊光滑的墻內(nèi)壁連續(xù)反射來(lái)進(jìn)行傳播，傳播損耗很小。這種聲波模式也因此被命名為“耳語(yǔ)廊模式”，也稱(chēng)為“回音壁模式”。事實(shí)上，北京天壇的回音壁也有類(lèi)似的現(xiàn)象。

“耳語(yǔ)廊效應(yīng)”不僅局限于聲波，近來(lái)科學(xué)家們?cè)絹?lái)越多的興趣集中在光波。由于電磁波在從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播時(shí)會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象，當(dāng)光線沿著旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的幾何結(jié)構(gòu)邊界內(nèi)壁傳播時(shí)會(huì)發(fā)生連續(xù)的全反射，光束被約束在環(huán)形邊界上，從而產(chǎn)生類(lèi)似的回音壁現(xiàn)象。若光束繞幾何結(jié)構(gòu)邊界行走一圈的光程滿(mǎn)足波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，會(huì)產(chǎn)生干涉加強(qiáng)現(xiàn)象即共振現(xiàn)象，其中用來(lái)約束光場(chǎng)的環(huán)形結(jié)構(gòu)即被稱(chēng)為“回音壁模式光學(xué)微腔”。

舉例來(lái)說(shuō)，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)工程師開(kāi)發(fā)的一種具有光學(xué)回音壁模式的諧振器。它能將光線沿著微型小球的圓周旋轉(zhuǎn)數(shù)百萬(wàn)次，從而創(chuàng)造出一種基于微芯片的超靈敏傳感器，用于感知運(yùn)動(dòng)、溫度、壓力、生物化學(xué)指標(biāo)等。

(圖片來(lái)源：參考資料【1】)

在量子物理研究中，光學(xué)回音壁模式也有很好的應(yīng)用。例如，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員團(tuán)隊(duì)為了創(chuàng)造“糾纏的量子對(duì)”，設(shè)計(jì)出一種特殊定制的光學(xué)回音壁，即一個(gè)納米級(jí)氮化硅諧振器。它能操控光線圍繞著微型賽道傳播，類(lèi)似聲波圍繞著曲面墻壁暢通無(wú)阻地傳播。當(dāng)選定波長(zhǎng)的激光被引導(dǎo)到諧振器中時(shí)，由可見(jiàn)光與近紅外光的光子糾纏而成的光子對(duì)就會(huì)出現(xiàn)。

下圖所示：NIST研究人員們通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)微米級(jí)環(huán)狀諧振器，制造出糾纏的光子對(duì)，這一對(duì)光子的顏色(或者說(shuō)波長(zhǎng))差別很大。來(lái)自泵浦激光(諧振器中的紫色區(qū)域)的光線，生成每對(duì)光子中處于可見(jiàn)光波長(zhǎng)(諧振器中以及周?chē)募t色斑塊)的那個(gè)光子;另一個(gè)光子的波長(zhǎng)處于頻譜中的電信(近紅外)部分(藍(lán)色斑塊)。從量子通信的角度來(lái)說(shuō)，這些光子對(duì)在一個(gè)光學(xué)電路中結(jié)合了彼此的優(yōu)點(diǎn)：處于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的光子能與囚禁的原子、離子以及其他系統(tǒng)相互作用，這些系統(tǒng)可以作為量子版本的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器，而處于電信波長(zhǎng)的光子可以通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)自由地進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

(圖片來(lái)源：S. Kelley/NIST)

防偽

通常來(lái)說(shuō)，安全性很高的標(biāo)識(shí)應(yīng)該特別能防偽。然而不幸的是，身份竊賊終于學(xué)會(huì)了復(fù)制復(fù)雜度很高的圖案。永久打敗身份竊賊的唯一途徑，就是創(chuàng)造一種無(wú)法復(fù)制的圖案。

筑波大學(xué)研究人員采用耳語(yǔ)廊光波創(chuàng)造出一種無(wú)法復(fù)制的圖案。通過(guò)這樣做，他們創(chuàng)造出了一個(gè)不可逾越的新型防偽系統(tǒng)。

這篇論文的高級(jí)作者 Yohei Yamamoto 教授解釋道：“我們使用光波而不是聲波來(lái)沿著微米級(jí)染料顆粒的凹坑形表面行走。這樣創(chuàng)造出了一種無(wú)法偽造的復(fù)雜彩色圖案?！?/p>

為了創(chuàng)造毫米尺寸的微芯片，研究人員首先沉積染料小顆粒，顆粒發(fā)出的熒光可以被打開(kāi)和關(guān)閉。然后，他們選擇性地以特定的圖案點(diǎn)亮芯片，圖案分為明亮顆粒的區(qū)域以及黑暗顆粒的區(qū)域。

每個(gè)染料顆粒都具有獨(dú)特的直徑和形狀。由于回音廊效應(yīng)的基礎(chǔ)原理(在這個(gè)案例中是光而不是聲)，每個(gè)顆粒發(fā)出的熒光都是獨(dú)特的。這樣就在微芯片上創(chuàng)造出了一幅獨(dú)特的彩色圖案，也可以說(shuō)是一個(gè)“指紋”，而這個(gè)“指紋”是無(wú)法被復(fù)制或者偽造的。

Yamamoto 教授表示：“我們?cè)趦?yōu)化后的微芯片上實(shí)現(xiàn)了每平方厘米幾百萬(wàn)的像素密度。我們開(kāi)發(fā)出了一款高度安全的兩步光學(xué)鑒權(quán)系統(tǒng)，第一步是微圖案本身;第二步是微芯片內(nèi)隱含的逐像素?zé)晒庵讣y?！?/p>

研究人員使用他們的技術(shù)創(chuàng)造出了一幅毫米尺寸的類(lèi)似蒙娜麗莎畫(huà)像的作品。這幅作品內(nèi)部嵌入了不可復(fù)制的獨(dú)特?zé)晒庵讣y。

(圖片來(lái)源：筑波大學(xué))

價(jià)值

企業(yè)、政府以及許多其他的組織都需要無(wú)法偽造的明確身份驗(yàn)證。通過(guò)采用一顆無(wú)法偽造的微芯片，對(duì)安全性要求高的組織有了一個(gè)新的防偽選項(xiàng)，以確保數(shù)據(jù)和設(shè)備的保密性以及完整性。

參考資料

【1】Chenchen Zhang, Alexander Cocking, Eugene Freeman, Zhiwen Liu, Srinivas Tadigadapa. On-Chip Glass Microspherical Shell Whispering Gallery Mode Resonators. Scientific Reports, 2017; 7 (1) DOI: 10.1038/s41598-017-14049-w

【2】Daichi Okada, Zhan-Hong Lin, Jer-Shing Huang, Osamu Oki, Masakazu Morimoto, Xuying Liu, Takeo Minari, Satoshi Ishii, Tadaaki Nagao, Masahiro Irie, Yohei Yamamoto. Optical microresonator arrays of fluorescence-switchable diarylethenes with unreplicable spectral fingerprints. Materials Horizons, 2020; DOI: 10.1039/D0MH00566E

【3】http://www.tsukuba.ac.jp/en/research-list/n202005260914