一項量子效應(yīng)將微小電子運動轉(zhuǎn)化為可測量的光，開辟了逐原子研究材料的新途徑。

一個多世紀以來，光在微觀世界的觀測中既是助手也是限制。顯微鏡利用光放大細胞、微生物和納米材料，但光同時具有波動性，無法被壓縮到比其波長更小的斑點。這種衍射極限使得傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡難以觀測單個原子。如今，一支研究團隊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)測量精度推進至約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。”簡而言之，研究者實現(xiàn)了用光在近乎單個原子尺度上探測物質(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，光被擠壓進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)研究者將探針進一步靠近時，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（而非強超快脈沖），信號卻突然大幅增強，并在埃（亞納米）尺度上呈現(xiàn)清晰變化。研究負責(zé)人、雷根斯堡大學(xué)博士生費利克斯·席格表示：“在極微小距離下，信號急劇飆升。我們起初并不理解這一現(xiàn)象，直到意識到自己已實現(xiàn)了0.1納米級的原子尺度分辨，才意識到其突破性。”

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。激光電場驅(qū)動電子在探針與樣品間來回振蕩，如同微型天線中運動的電荷，這種運動會產(chǎn)生微弱的電磁信號。研究者通過強度型光學(xué)測量捕獲了這一被稱為“近場光學(xué)隧穿輻射”的微弱光信號，直接反映了原子尺度的隧穿事件。貝格鮑爾補充道：“關(guān)鍵突破在于，我們不再受限于光能被約束的緊密程度，而是直接控制和測量約束在原子尺度的量子電子運動?！?/p>

開啟原子尺度光學(xué)之門

這項研究表明，光學(xué)工具現(xiàn)已能探索曾被認為光無法觸及的尺度。此外，由于該方法采用標準連續(xù)波激光器而非昂貴的超快系統(tǒng)，更多實驗室可加以應(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)的對比機制能與標準光學(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)家用光觀測和測量原子世界的夢想將更接近現(xiàn)實。