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    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    作者:晋浩天    2026-06-29

      光明日报北京6月28日电(记者晋浩天)70多年前,我国物理学家黄昆提出了一套描述光与物质相互作用的理论,为一种叫“声子极化激元”的奇特物理现象铺好了地基。简单说,这是一种光与原子振动“手拉手”耦合而成的特殊模式,能把光场压得很紧很密,是一种“半光半物质”的东西。而今,它被科学家赋予了一项几乎不可思议的新本事。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,成功把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”,对材料内部埋藏的微小变形实现了无损探测,精度达到约10皮米——相当于两个原子之间间距的几十分之一。相关成果日前发表于《自然》。

      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?”高鹏告诉记者,普通光学显微镜受限于光的衍射极限,根本看不清这些被囚禁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的方法。

      “电子束就像一根极细的针尖,能精准戳进纳米世界,既把声子极化激元激发出来,又能当场拍下它在空间中的分布。”高鹏说,靠着这双“火眼金睛”,团队此前已经在一层原子厚度的氮化硼中,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”——光被牢牢困在几纳米薄的管壁中,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冒出:既然光被压缩到了极限,周围原子层哪怕有一丝一毫的位移,它也理应能“察觉”到。“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?”联合团队找来了一个理想模型:把“碲量子点”塞进氮化硼纳米管。量子点就像一颗微小楔子,造成管壁原子层的微微变形。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。”高鹏表示,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,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。

      《光明日报》(2026年06月29日 08版)


    责编:代建安
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