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

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》