一項(xiàng)量子效應(yīng)將微小電子運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的光，開辟了逐原子研究材料的新途徑。

一個(gè)多世紀(jì)以來，光在微觀世界的觀測(cè)中既是助手也是限制。顯微鏡利用光放大細(xì)胞、微生物和納米材料，但光同時(shí)具有波動(dòng)性，無法被壓縮到比其波長(zhǎng)更小的斑點(diǎn)。這種衍射極限使得傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡難以觀測(cè)單個(gè)原子。如今，一支研究團(tuán)隊(duì)找到了突破這一瓶頸的方法。

他們使用普通的連續(xù)波激光和針尖般鋒利的金屬探針，將光學(xué)測(cè)量精度推進(jìn)至約0.1納米，相當(dāng)于原子間距的尺度。雷根斯堡大學(xué)的研究員瓦倫丁·貝格鮑爾表示：“這一巨大突破將光學(xué)顯微鏡的分辨尺度提升至傳統(tǒng)光鏡的約十萬分之一?！焙?jiǎn)而言之，研究者實(shí)現(xiàn)了用光在近乎單個(gè)原子尺度上探測(cè)物質(zhì)，而這曾被視作不可能的任務(wù)。

將光壓縮至原子間隙

該方法始于將極尖銳的金屬探針極度貼近材料表面。探針與樣品間的間隙被控制在小于單個(gè)原子的尺度。當(dāng)連續(xù)波中紅外激光照射這一結(jié)構(gòu)時(shí)，光被擠壓進(jìn)入微小間隙并堆積在探針尖端。這已突破了常規(guī)衍射極限，使分辨率達(dá)到探針頂端尺寸（約10納米），雖優(yōu)于普通顯微鏡，但仍不足以分辨原子。

然而，當(dāng)研究者將探針進(jìn)一步靠近時(shí)，意外現(xiàn)象出現(xiàn)了。盡管系統(tǒng)僅由溫和的連續(xù)波激光驅(qū)動(dòng)（而非強(qiáng)超快脈沖），信號(hào)卻突然大幅增強(qiáng)，并在埃（亞納米）尺度上呈現(xiàn)清晰變化。研究負(fù)責(zé)人、雷根斯堡大學(xué)博士生費(fèi)利克斯·席格表示：“在極微小距離下，信號(hào)急劇飆升。我們起初并不理解這一現(xiàn)象，直到意識(shí)到自己已實(shí)現(xiàn)了0.1納米級(jí)的原子尺度分辨，才意識(shí)到其突破性?！?/p>

量子物理揭示原理

其原理根植于量子物理：即使探針與表面未接觸，電子也能隧穿間隙。激光電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電子在探針與樣品間來回振蕩，如同微型天線中運(yùn)動(dòng)的電荷，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生微弱的電磁信號(hào)。研究者通過強(qiáng)度型光學(xué)測(cè)量捕獲了這一被稱為“近場(chǎng)光學(xué)隧穿輻射”的微弱光信號(hào)，直接反映了原子尺度的隧穿事件。貝格鮑爾補(bǔ)充道：“關(guān)鍵突破在于，我們不再受限于光能被約束的緊密程度，而是直接控制和測(cè)量約束在原子尺度的量子電子運(yùn)動(dòng)。”

開啟原子尺度光學(xué)之門

這項(xiàng)研究表明，光學(xué)工具現(xiàn)已能探索曾被認(rèn)為光無法觸及的尺度。此外，由于該方法采用標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)波激光器而非昂貴的超快系統(tǒng)，更多實(shí)驗(yàn)室可加以應(yīng)用。研究者在論文中指出：“我們的發(fā)現(xiàn)使得這種隧穿介導(dǎo)的對(duì)比機(jī)制能與標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)設(shè)備結(jié)合，為前所未有的分辨率的光學(xué)成像開辟道路?！?/p>

該技術(shù)有望幫助研究光與物質(zhì)在關(guān)鍵過程發(fā)生的尺度（如催化劑、半導(dǎo)體、量子材料和分子電子學(xué)內(nèi)部）的相互作用。若取得成功，科學(xué)家用光觀測(cè)和測(cè)量原子世界的夢(mèng)想將更接近現(xiàn)實(shí)。