科学家们实现了超精密振动测量，精度达到可检测单个分子的水平

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之间的一种强干涉形式。声子是材料结构中的振动，构成该系统中最小的热量或声音单元（或称量子）。两个具有不同频率分布的声子相互干涉的现象（称为法诺共振），其强度比以往报道的任何同类现象高出两个数量级。

"虽然这种现象在电子和光子等粒子中已被充分研究，但声子间的干涉却鲜少被探索，"莱斯大学前博士后研究员、该研究的第一作者张坤彦（Kunyan Zhang）表示。"这是一个错失的机会，因为声子能长时间保持其波动行为，使其在构建稳定、高性能器件方面极具潜力。"

这项研究证明了声子可以像光或电子一样被有效利用，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盖在碳化硅基底上的二维金属。研究人员采用一种名为限域异质外延的技术，仅将几层银原子插入石墨烯与碳化硅之间，从而制备出具有显著量子特性的紧密结合界面。

"这种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，"张坤彦说。

研究团队通过拉曼光谱中信号的形态（一种测量材料振动模式的技术）来研究声子如何相互干涉。光谱显示出尖锐的不对称线形，在某些情况下甚至呈现完全凹陷，形成强烈干涉特有的反共振图案。

该效应被证明对碳化硅表面的特性高度敏感。通过比较碳化硅三种不同的表面终端，揭示了每种表面与其独特拉曼线形之间的明确关联。此外，当研究人员在表面引入单个染料分子时，谱线形状发生剧烈变化。

"这种干涉如此敏感，甚至可以探测到单个分子的存在，"张坤彦指出。"它能通过简单且可扩展的装置实现无标记单分子检测。我们的结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途径。"

通过在低温下探索该效应的动力学，研究人员证实干涉纯粹源于声子相互作用而非电子，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/碳化硅体系中观察到，在常规块体金属中并不存在，这得益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。通过精细调控这些插层化学成分，研究人员能够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设备即可实现高灵敏度，"莱斯大学电气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。"这种基于声子的方法不仅推动了分子传感技术，更为能源收集、热管理和量子技术领域开辟了激动人心的可能性——在这些领域，振动控制至关重要。"

该研究获得了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）和北德克萨斯大学的资助。