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70多年前，我國物理學家黃昆提出了一套描述光與物質相互作用的理論，為一種叫“聲子極化激元”的奇特物理現象鋪好了地基。簡單說，這是一種光與原子振動“手拉手”耦合而成的特殊模式，能把光場壓得很緊很密，是一種“半光半物質”的東西。而今，它被科學家賦予了一項幾乎不可思議的新本事。國家納米科學中心研究員楊曉霞、上海交通大學教授戴慶、北京大學教授高鵬、蘇州實驗室研究員丁峰聯合研究團隊，成功把一束在納米尺度下被高度囚禁的光，變成了一把能感知原子級形變的超級“尺子”，對材料內部埋藏的微小變形實現了無損探測，精度達到約10皮米——相當于兩個原子之間間距的幾十分之一。相關成果日前發表于《自然》。

故事得從一個懸而未決的問題講起。“聲子極化激元能把光壓縮得很厲害，但當它被關進幾納米的狹小空間后，到底會表現出哪些新行為？”高鵬告訴記者，普通光學顯微鏡受限于光的衍射極限，根本看不清這些被囚禁在納米角落里的光長什么樣。課題組依托北京大學電子顯微鏡平臺，發展出一套把電子束聚焦到比原子還細、用它來激發并觀察這些特殊光場的方法。

“電子束就像一根極細的針尖，能精準戳進納米世界，既把聲子極化激元激發出來，又能當場拍下它在空間中的分布。”高鵬說，靠著這雙“火眼金睛”，團隊此前已經在一層原子厚度的氮化硼中，看到了被壓得極緊的光場；后來又在氮化硼納米管里發現了“回音壁模式”——光被牢牢困在幾納米薄的管壁中，沿著管壁繞圈傳播，就像聲音在回音壁反復反射一樣。

一個大膽的念頭隨之冒出：既然光被壓縮到了極限，周圍原子層哪怕有一絲一毫的位移，它也理應能“察覺”到。“能不能用這束囚禁的光，做一把能量出皮米級形變的精密尺子？”聯合團隊找來了一個理想模型：把“碲量子點”塞進氮化硼納米管。量子點就像一顆微小楔子，造成管壁原子層的微微變形。電鏡測量顯示，量子點附近的光頻率發生了約20個波數的紅移，而其他方向的光幾乎沒變。

頻率變了，那到底變形了多少？團隊又結合計算機模擬和高壓物理實驗，最終確認變形幅度約在4.4到12.3皮米之間——比一根頭發絲的直徑還小上千萬倍。

“就這樣，一種基于囚禁光增強效應的皮米傳感新方法誕生了。”高鵬表示，比起傳統方法，它不破壞樣品、靈敏度極高，還能看清納米尺度的空間細節，等于給科學家配了一副能“聽診”原子世界微弱形變的新型納米聽診器。（記者晉浩天）

關鍵詞 尺子 原子 光場 極化激元 量子點 衍射