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
基于声子极化激元将光压缩至纳米尺度，研究团队将其发展为原子级“尺子”，可无损探测材料内部约10皮米的微小变形。通过将碲量子点塞入氮化硼纳米管，测量光频率变化并结合模拟，实现了皮米级传感精度。
70多年前，我国物理学家黄昆提出的一套光与物质相互作用理论，为一种名为“声子极化激元”的奇特物理现象埋下了伏笔。简单来说，这是一种光与原子振动“手拉手”耦合而成的特殊模式——能把光压得又紧又密，本质上是一种“半光半物质”的存在。而今天，科学家们给这个老概念赋予了一项几乎不可思议的新能力。国家纳米科学中心研究员杨晓霞、上海交通大学教授戴庆、北京大学教授高鹏、苏州实验室研究员丁峰联合研究团队，成功将一束在纳米尺度下被高度囚禁的光，变成了一把能感知原子级形变的超级“尺子”。用它来无损探测材料内部埋藏的微小变形，精度达到了约10皮米——这相当于两个原子之间距离的几十分之一。成果发表在《自然》上。
故事得从一个悬而未决的问题讲起。“声子极化激元能把光压缩得很厉害，但当它被关进几纳米的狭小空间后，到底会表现出哪些新行为？”高鹏告诉笔者，普通光学显微镜受限于光的衍射极限，根本看不清这些被困在纳米角落里的光长什么样。课题组依托北京大学电子显微镜平台，发展出一套新方法：把电子束聚焦到比原子还细，用它来激发并观察这些特殊光场。“电子束，就像一根极细的探针，能精准地刺入纳米世界，它既能激发出‘声子极化激元’，又能当场拍下它在空间中的分布。”高鹏介绍说，靠着这双“火眼金睛”，团队此前已经在单原子层厚度的氮化硼中，看到了被压得极紧的光场；后来又在氮化硼纳米管里发现了“回音壁模式”——光被牢牢困在只有几纳米厚的管壁中，沿着管壁绕圈传播，就像声音在回音壁反复反射一样。
一个大胆的念头随之浮出水面：既然光已经被压缩到了极限，周围原子层哪怕有一丝一毫的位移，它理应能“察觉”到。那问题来了：能不能用这束囚禁的光，做一把能量出皮米级形变的精密尺子？联合团队做了一个巧妙的设计：把“碲量子点”塞进氮化硼纳米管。量子点就像一颗微小的楔子，让管壁原子层发生了微微变形。电镜测量显示，量子点附近的光频率发生了约20个波数的红移，而其他方向的光几乎没变。频率变了，那到底变形了多少？团队又结合计算机模拟和高压物理实验，最终确认变形幅度约在4.4到12.3皮米之间——比一根头发丝的直径还小上千万倍。
就这样，一种基于囚禁光增强效应的皮米传感新方法诞生了。比起传统方法，它不破坏样品、灵敏度极高，还能看清纳米尺度的空间细节。这等于给科学家们配了一副能“听诊”原子世界微弱形变的新型纳米听诊器。想想看，皮米级精度的无损探测，听起来是不是有点像科幻片里的情节？
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