莱斯大学的科学家发现了一种新方法，能使被称为声子的微小振动产生前所未有的强烈干涉效应。通过采用银-石墨烯-碳化硅的特殊夹层结构，他们创造了具有破纪录灵敏度的检测效果——无需标记或复杂设备即可探测单个分子。这一突破有望为高性能传感器、量子器件以及微观尺度热能和调控技术开辟全新可能性。
在《科学进展》期刊发表的最新研究中，莱斯大学与合作团队展示了声子间存在的一种强干涉现象。声子作为材料结构中的振动单元，是系统中热能和声能的最小量子单位。这种被称为法诺共振的现象发生在两个频率分布不同的声子之间，其干涉强度比以往报道的高出两个数量级。
"虽然这种现象在电子和光子等粒子中已有深入研究，但声子间的干涉效应却鲜少被探索，"该研究第一作者、莱斯大学前博士后研究员张昆彦表示，"这实际上错失了重要机遇，因为声子能长时间保持波动特性，非常适合制造稳定高效的新型器件。"
通过证明声子能像光子和电子一样被有效调控，这项研究为基于声子的新一代技术奠定了基础。研究团队的关键突破在于使用碳化硅基底上的二维金属材料。采用限制异质外延技术，研究人员在石墨烯与碳化硅层间插入了几个原子层厚的银原子，形成了具有显著量子特性的紧密结合界面。
"这种二维金属能触发并增强碳化硅中不同振动模式间的干涉，达到创纪录的水平，"张昆彦解释道。
研究团队通过拉曼光谱分析声子信号的波形来探究其干涉机制。光谱显示出明显的不对称线型，某些情况下甚至出现完全凹陷，形成强干涉特有的反共振特征。
该效应对碳化硅表面特性表现出极高敏感性。对比三种不同表面终止态的碳化硅样本时，每种表面都展现出独特的拉曼光谱线型。更引人注目的是，当研究人员在表面引入单个染料分子时，光谱线型立即发生显著变化。
"这种干涉的灵敏度足以检测单个分子，"张昆彦强调，"它实现了无需标记物的单分子检测，且设备简单可扩展。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途径。"
通过低温环境下的动力学研究，团队确认该干涉完全源于声子相互作用而非电子，这是罕见的纯声子量子干涉案例。该现象仅在特定的二维金属/碳化硅体系中观察到，常规块体金属中并不存在，这归功于原子级薄金属层带来的特殊跃迁路径和表面构型。
研究还探讨了使用镓或铟等其他二维金属诱导类似效应的可能性。通过精确调控插层化学组成，可以设计具有定制量子特性的特殊界面。
"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就能实现高灵敏度，"莱斯大学电子与计算机工程、材料科学与纳米工程副教授、论文通讯作者黄胜熙表示，"这种基于声子的技术不仅推动了分子传感发展，更为能源收集、热管理和量子技术等需要精密调控振动的领域带来了新机遇。"
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支持。