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首次实现对原子尺度形变的直接光学感知！
2026年07月01日 15:28:30
来源：化工仪器网 作者：羊舌木 点击量：852
国家纳米科学中心杨晓霞研究员、上海交通大学戴庆教授、北京大学高鹏教授以及苏州实验室丁峰教授等团队合作，发展出一种能够感知皮米（万亿分之一米）级变化的极化激元探测技术，为观测材料内部原子层间的微小变化提供了全新手段。
70多年前，中国物理学家黄昆提出的理论为一种名为“声子极化激元”的奇特现象奠定了基础——这是一种光与原子振动“手拉手”耦合形成的“半光半物质”态，能将光场压缩至纳米尺度，突破传统光学的衍射极限。
如今，这一理论在国家纳米科学中心研究员杨晓霞、上海交通大学教授戴庆、北京大学教授高鹏与苏州实验室研究员丁峰的联合攻关下，被赋予了前所未有的实用价值：他们成功将这种被囚禁在纳米空间中的光，转化为一把能感知原子级形变的超级“尺子”，实现约10皮米的无损探测精度，相当于两个原子间距的几十分之一，相关成果已发表于《自然》。
团队依托北京大学电子显微镜平台，创新性地将电子束聚焦至比原子更细的尺度，使其成为一根能精准刺入纳米世界的“针尖”——不仅能激发声子极化激元，还能实时成像其在材料中的空间分布。
正是凭借这双“火眼金睛”，研究团队首次在单层氮化硼中观测到被极度压缩的光场，并在氮化硼纳米管中捕捉到“回音壁模式”：光被牢牢困在几纳米厚的管壁内，沿壁反复回旋，如同声波在圆形大厅中不断反射。这一发现催生了一个大胆的设想：如果光被压缩到如此极限，那么原子层哪怕发生一丝微小位移，是否也能被它敏锐察觉？
为验证这一猜想，团队设计了一个精巧的模型：将碲量子点嵌入氮化硼纳米管，使其成为微小的楔形结构，诱导局部晶格发生可控形变。电镜测量显示，量子点附近的光频率出现了约20个波数的红移，而其他区域则保持稳定。通过结合高精度计算机模拟与高压物理实验，研究人员最终确认，这种频率偏移对应着4.4至12.3皮米的原子层位移——这一尺度，比一根头发丝的直径小上千万倍。
“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。”高鹏说，“它不破坏样品、灵敏度极高，还能看清纳米尺度的空间细节，等于给科学家配了一副能‘听诊’原子世界微弱形变的新型纳米听诊器。”
这项技术的意义远不止于精度的提升。它首次打通了微观结构变化与光学测量之间的关键通道，使原本只能间接推断的界面形变，成为可以直接观测、定量分析的物理量。科研团队指出，这不仅是测量手段的进步，更是观测范式的根本转变——从“推测结构”走向“看见变化”，为理解材料性能与原子构型之间的内在联系提供了前所未有的工具。
未来，这一技术有望在量子信息器件的界面稳定性监测、二维材料缺陷动力学研究、先进电子器件的原位应力表征以及新型功能材料的构效关系解析等领域发挥核心作用，为下一代纳米科技与量子材料的设计与优化，打开一扇全新的观测之窗。
资料参考来源：光明日报
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