多谐振金硅杂化粒子光谱物理不可克隆函数：纳米级随机性在安全认证中的革命性应用

为解决传统光学物理不可克隆函数（PUFs）因依赖微米级空间特征而易受仿造威胁的问题，研究人员开发了基于金硅（Au/Si）杂化粒子的新型光谱PUFs。通过飞秒激光诱导去湿技术制备具有纳米级随机结构的粒子，利用其独特光致发光（PL）光谱作为不可复制密钥，实现了超高信息密度的安全认证。该研究为硬件加密、个性化访问控制和防伪技术提供了突破性解决方案。

　　

在数字化时代，硬件安全面临双重挑战：一方面，精密微加工技术的进步使得传统基于微米级特征的防伪标签容易被复制；另一方面，量子计算的兴起威胁着现有加密协议。光学物理不可克隆函数（Physical Unclonable Functions, PUFs）作为硬件加密的"指纹"，其安全性正遭遇前所未有的危机。现有PUFs多依赖微米级空间随机性，但随着原子力显微镜等纳米操纵技术的成熟，这些特征已不再"不可克隆"。更棘手的是，传统PUFs的信息存储密度有限，难以满足日益增长的安全需求。

针对这一困境，来自俄罗斯的研究团队Martin Sandomirskii等人在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们另辟蹊径，将目光投向纳米尺度——这个连最先进制造技术也难以精确控制的领域。团队创新性地利用金硅（Au/Si）杂化粒子的本征纳米随机性，开发出新一代光谱PUFs，其独特的光致发光（PL）特征如同"光学指纹"，为安全认证带来了革命性解决方案。

研究团队采用飞秒激光诱导去湿技术制备Au/Si杂化粒子，通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）表征其形貌与内部结构，利用光谱仪测量光致发光特性，并开发机器学习模型进行光谱识别。样本来源于实验室自制的金硅双层薄膜，通过控制激光参数实现高通量制备。

Au/Si粒子的激光制备与明亮发光
研究人员采用飞秒激光辐照金硅双层膜，通过表面张力作用和瑞利-普拉托不稳定性形成亚微米液滴。这些粒子展现出450-900 nm的超宽带上转换光致发光（PL），量子效率（QE）达1-3.5%，远超传统硅基光源。通过斜率分析确认双光子吸收（2PA）和三光子吸收（3PA）共同贡献发光信号。

内部结构与多谐振特性
STEM分析揭示了粒子内部金网络包裹硅晶粒的独特结构，晶粒尺寸20-183 nm不等。相场模拟表明，凝固过程中的热涨落导致结构完全随机。数值模拟证实，金网络表面体积比（S-to-V）越高，场增强效应越显著，量子效率也随之提升。

弱PUF防伪应用
团队开发两种认证策略：一是将PL光谱分解为积分强度、2PA/3PA贡献比等五个特征参数，通过聚类算法生成密钥；二是直接采集PL空间分布图像，利用计算机视觉比对。前者编码容量达10⁵⁴，后者更高达10¹⁴¹，远超现有技术。

强PUF一次性密码验证
基于单个微结构可产生约100个独特PL谱的特性，团队构建了机器学习驱动的验证系统。通过比较1024维光谱嵌入向量，实现97%的单谱验证准确率。五谱联检时准确率可达99.97%，信息存储密度达3720比特/μm²，比现有PUFs高2-3个数量级。

这项研究开创性地将纳米级结构随机性与宏观光学响应相关联，解决了PUF技术面临的根本性挑战。飞秒激光加工的高通量特性（200结构/分钟）使其具备工业化潜力。特别值得注意的是，该方法突破了衍射极限，将安全特征尺寸缩小至纳米级别，为应对未来微纳加工技术的安全威胁提供了前瞻性解决方案。封装测试表明，聚二甲基硅氧烷（PDMS）保护的标签能耐受常规环境干扰，具备实用稳定性。

该工作不仅为硬件加密设立了新标准，其多谐振粒子设计思路更开辟了纳米光子学的新应用方向。正如作者指出，当量子计算威胁迫在眉睫时，这种"自然赋予的随机性"或许将成为守护数字世界安全的最可靠堡垒。