科学家创造出精度极高的振动，可探测单个分子

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展示了声子（物质结构中的振动，构成该系统中最小的热量或声音单位，即量子）之间的一种强干涉形式。两个具有不同频率分布的声子相互干涉的现象被称为法诺共振，其强度比以往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领域已得到充分研究，但声子间的干涉却鲜少被探索，"该研究的第一作者、莱斯大学前博士后研究员张坤炎（Kunyan Zhang）表示。"这是个被忽视的机遇，因为声子能长时间维持其波动行为，使其在构建稳定、高性能设备方面极具潜力。"

通过证明声子能像光或电子一样被有效利用，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使用覆于碳化硅基底上的二维金属。研究人员采用名为约束异质外延的技术，将仅几个原子层厚的银夹层排列在石墨烯与碳化硅之间，从而形成了具有显著量子特性的紧密结合界面。

"这种二维金属引发并强化了碳化硅内不同振动模式间的干涉，达到了创纪录的水平，"张坤炎解释道。

研究团队通过拉曼光谱中的信号形态观测声子相互干涉机制，该技术用于测量材料的振动模式。光谱显示出尖锐的非对称线型，某些情况下甚至呈现完全凹陷，形成表征强干涉特征的反共振图案。

该效应被证实对碳化硅表面的特性高度敏感。对比碳化硅三种不同表面终止结构时，发现每种表面与其独特的拉曼谱线形状存在明确关联。此外，当研究人员向表面引入单个染料分子时，谱线形状发生剧烈变化。

"这种干涉敏感度足以检测单个分子的存在，"张坤炎强调。"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及新一代分子检测领域的应用开辟了新途径。"

通过在低温下研究该效应的动力学过程，研究人员确认干涉纯粹源于声子相互作用而非电子，这标志着罕见的纯声子量子干涉现象。该效应仅在研究中使用的特定二维金属/碳化硅体系中观察到，常规块体金属中并不存在，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。通过精细调控这些夹层材料的化学成分，研究者可设计具有定制量子特性的专属界面。

"与传统传感器相比，我们的方法无需特殊化学标记或复杂装置即可实现高灵敏度，"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、该研究的通讯作者黄胜昔（Shengxi Huang）表示。"这种基于声子的策略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领域开启了激动人心的可能性——在这些领域，振动控制至关重要。"

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）及北德克萨斯大学资助。