科学家制造出极其精确的振动，能够检测到单个分子

在发表于《科学进展》(Science Advances)的一项新研究中，莱斯大学的研究人员与合作者证明了声子之间存在强烈的干涉现象——声子是材料结构中的振动，构成了该系统中最小的热量或声音单位（或称量子）。两种不同频率分布的声子相互干涉的现象（称为法诺共振），其强度比此前报道的任何结果高出两个数量级。

"虽然这种现象在电子和光子等粒子中已得到充分研究，但声子间的干涉却鲜少被探索，"该研究的第一作者、莱斯大学博士后研究员张坤彦（音译）表示。"这是一个错失的机遇，因为声子能长时间维持其波动行为，使其有望应用于稳定、高性能的设备。"

通过证明声子可以像光或电子那样被有效利用，该研究为新一代基于声子的技术铺平了道路。该团队的突破关键在于在碳化硅基底上使用二维金属。研究人员采用名为约束异质外延的技术，在石墨烯层与碳化硅之间仅插入了几个银原子层，从而形成了具有显著量子特性的紧密结合界面。

"二维金属触发并增强了碳化硅中不同振动模式间的干涉，达到了创纪录的水平，"张坤彦解释道。

研究团队通过拉曼光谱中的信号形态分析了声子间的干涉机制，该技术可测量材料的振动模式。光谱呈现出尖锐的非对称线型，某些情况下甚至显示出完全凹陷，形成强烈干涉特有的反共振模式。

该效应对碳化硅表面的特性高度敏感。对三种不同表面终端碳化硅的对比显示，每种表面与其独特的拉曼线型存在明确关联。此外，当研究人员在表面引入单个染料分子时，谱线形状发生显著变化。

"这种干涉灵敏度极高，可检测单个分子的存在，"张坤彦强调。"它通过简单且可扩展的装置实现了无标记单分子检测。我们的成果为声子在量子传感和下一代分子检测中的应用开辟了新路径。"

通过在低温下探索该效应的动力学过程，研究人员证实干涉纯粹源于声子相互作用而非电子作用，标志着罕见的纯声子量子干涉案例。该效应仅在研究中使用的特定二维金属/碳化硅体系中被观察到，常规块状金属中并不存在。这归因于原子级薄金属层实现的特殊跃迁路径和表面构型。

研究还探索了使用其他二维金属（如镓或铟）诱导类似效应的可能性。通过精细调控插层化学成分，研究人员可设计具有定制量子特性的界面结构。

"与传统传感器相比，我们的方法无需特殊化学标记或复杂设备配置即可实现高灵敏度，"该研究的通讯作者、莱斯大学电子与计算机工程及材料科学与纳米工程副教授黄胜熙（音译）指出。"这种基于声子的方法不仅推进了分子传感技术，更为能量收集、热管理和量子技术等振动控制关键领域开辟了新前景。"

本研究获得美国国家科学基金会（2011839, 2246564, 1943895, 2230400）、空军科学研究办公室（FA9550-22-1-0408）、韦尔奇基金会（C-2144）及北德克萨斯大学的资助。