一束光成了原子级“尺子” 可对材料内部微小变形进行无损探测

来源：光明日报

70余年前，尺子我国著名物理学家黄昆提出的束光损探光与物质相互作用理论，为“声子极化激元”这一奇特物理现象奠定了基石。成原测作为一种“半光半物质”的对材特殊模式，声子极化激元由光场与原子振动紧密耦合而成，料内能够将光场极度压缩。部微如今，小变形进行无这一理论成果迎来了突破性应用：国家纳米科学中心杨晓霞研究员、尺子上海交通大学戴庆教授、束光损探北京大学高鹏教授及苏州实验室丁峰研究员组成的成原测联合团队，成功将纳米尺度下高度囚禁的对材光转化为感知原子级形变的超级“尺子”，实现了对材料内部微小变形的料内无损探测，精度高达约10皮米（相当于两个原子间距的部微几十分之一）。相关研究成果已发表于国际顶级期刊《自然》。小变形进行无

破解纳米光场观测难题

研究始于一个长期悬而未决的尺子科学问题：“当声子极化激元被限制在几纳米的狭小空间时，其物理行为究竟如何演变？”高鹏教授指出，受限于传统光学显微镜的衍射极限，科学家此前无法直接观测纳米角落中囚禁光场的真实形态。

为此，课题组依托北京大学电子显微镜平台，创新性地开发了一套利用电子束激发并观测特殊光场的方法。高鹏形象地比喻道：“电子束如同一根极细的针尖，既能精准激发声子极化激元，又能实时捕捉其在空间中的分布。”凭借这一技术，团队此前已在单层原子厚度的氮化硼中观测到被极致压缩的光场，并进一步在氮化硼纳米管中发现了“回音壁模式”——光被牢牢束缚在纳米级管壁内，沿管壁循环传播，如同声波在回音壁中的反复反射。

从“看见光”到“测量形变”

基于光场被压缩至极限的特性，研究团队提出了一个大胆假设：周围原子层的微小位移理应能被这束囚禁光敏锐察觉。由此，他们构想利用这束光制作一把能够测量皮米级形变的精密“尺子”。

为了验证这一设想，团队构建了理想的实验模型：将“碲量子点”嵌入氮化硼纳米管中。量子点如同微小的楔子，导致管壁原子层发生轻微变形。电子显微镜测量数据显示，量子点附近的光频率出现了约20个波数的红移，而其他方向的光频率则保持相对稳定。

精度达皮米级，开启纳米“听诊”时代

频率的变化究竟对应多大的物理形变？团队通过结合计算机模拟与高压物理实验，最终确认变形幅度在4.4至12.3皮米之间。这一尺度比一根头发丝的直径还要小上千万倍。

高鹏教授表示：“这标志着一种基于囚禁光增强效应的皮米传感新方法正式诞生。”相较于传统检测手段，该技术具备三大核心优势：
1. 无损探测：不破坏样品结构；
2. 超高灵敏度：可感知皮米级微小变化；
3. 空间分辨率高：能清晰呈现纳米尺度的空间细节。

这项成果相当于为科学家配备了一副新型“纳米听诊器”，使其能够深入原子世界，精准“听诊”材料内部微弱的形变信号，为纳米材料科学及量子器件研究提供了强有力的工具。

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