科学家刚刚将振动精度提升到能检测单个分子的水平

在《科学进展》(Science Advances)杂志新发表的一项研究中，莱斯大学（Rice University）的研究人员及其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或声量子单位。两个具有不同频率分布的声子相互干扰的现象（称为法诺共振），其强度比先前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得到充分研究，但声子之间的干涉却很少被探索，”该研究的共同第一作者、莱斯大学前博士后研究员张昆彦（Kunyan Zhang）表示。“这是一个错失的机会，因为声子可以长时间维持其波动行为，使其在构建稳定、高性能器件方面具有前景。”

该研究通过证明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奠定了基础。该团队的突破关键在于在碳化硅基底上使用二维金属。研究人员采用一种称为限域异质外延（confinement heteroepitaxy）的技术，在石墨烯层和碳化硅之间仅插入了几个原子层的银原子，从而产生了一个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之间的干涉，达到了创纪录的水平，” 张昆彦说道。

研究团队通过观察拉曼光谱中声子信号的形状来研究它们如何相互干涉。拉曼光谱是一种测量材料振动模式的技术。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，形成了强烈干涉特有的反共振特征。

该效应被证明对碳化硅表面的特性高度敏感。对碳化硅三种不同表面终端结构的比较表明，每种表面与其独特的拉曼线形之间存在明确关联。此外，当研究人员在表面引入单个染料分子时，谱线形状发生了显著变化。

“这种干涉极其灵敏，足以检测单个分子的存在，” 张昆彦表示。“它通过简单且可扩展的装置实现了无标记单分子检测。我们的结果为在量子传感和下一代分子检测中使用声子开辟了新途径。”

通过在低温下探索该效应的动力学行为，研究人员确认这种干涉纯粹源于声子相互作用而非电子，标志着一种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/碳化硅系统中被观察到，在常规块体金属中不存在。这是由于原子级薄的金属层实现了特殊的跃迁路径和表面构型。

该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。通过微调这些插层金属的化学成分，研究人员可以设计具有定制量子特性的界面。

“与传统传感器相比，我们的方法无需特殊化学标记或复杂的设备设置即可提供高灵敏度，” 莱斯大学电气与计算机工程、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，也为能量收集、热管理和量子技术等领域开辟了令人兴奋的可能性，而在这些领域控制振动是关键。”

本研究得到了美国国家科学基金会（2011839、2246564、1943895、2230400）、美国空军科学研究办公室（FA9550-22-1-0408）、韦尔奇基金会（C-2144）和北得克萨斯大学的资助。