莱斯大学的科学家发现了一种方法，可以使被称为声子的微小振动以前所未有的强度相互干涉。利用银、石墨烯和碳化硅构成的特殊“三明治”结构，他们创造出一种破纪录的效应，其灵敏度极高，无需标记或复杂设备即可检测单个分子。这一突破有望为高性能传感器、量子器件以及在最小尺度上控制热量和能量的技术开辟新的可能性。
在发表于《科学进展》的一项新研究中，莱斯大学的研究人员及其合作者展示了声子之间存在的一种强烈干涉形式——声子是材料结构中的振动，构成了该系统中热或声的最小单位，即量子。两种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，此次观测到的现象强度比以往任何报道高出两个数量级。
“虽然这种现象对于电子和光子等粒子已有充分研究，但声子之间的干涉却鲜有探索，”莱斯大学前博士后研究员、该研究的第一作者张昆言（Kunyan Zhang）表示，“这是一个错失的机遇，因为声子可以长时间保持其波动行为，这使其在稳定、高性能器件方面极具前景。”
通过证明声子可以像光或电子一样被有效利用，这项研究为新一代声子技术铺平了道路。该团队的突破关键在于在碳化硅基底之上使用二维金属。利用一种称为限制异质外延的技术，研究人员在石墨烯层和碳化硅之间插入了仅几层银原子，从而产生了一个具有非凡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，”张说道。
研究团队通过观察拉曼光谱中信号的形状来研究声子如何相互干涉，拉曼光谱是一种测量材料振动模式的技术。光谱显示出急剧的不对称线形，在某些情况下显示出完全的凹陷，形成了强烈干涉特有的反共振图样。
该效应被证明对碳化硅表面的具体特性高度敏感。对碳化硅三种不同表面终端的比较揭示了每个表面与其独特的拉曼线形之间的明确联系。此外，当研究人员向表面引入单个染料分子时，谱线形状发生了剧烈变化。
“这种干涉非常灵敏，可以检测到单个分子的存在，”张说道，“它使得通过简单且可扩展的装置进行无标记单分子检测成为可能。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一条新途径。”
在低温下探索该效应的动力学时，研究人员证实这种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案例。该效应仅在该研究使用的特定二维金属/碳化硅体系中被观测到，而在常规块体金属中则不存在。这是由于原子级薄金属层所赋予的特殊跃迁路径和表面构型所致。
该研究还探索了使用其他二维金属（如镓或铟）来诱导类似效应的可能性。通过微调这些插层层的化学成分，研究人员可以设计出具有定制量子特性的定制界面。
“与传统的传感器相比，我们的方法提供了高灵敏度，且无需特殊的化学标记或复杂的装置设置，”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的发展，还在能量收集、热管理和量子技术等领域开启了激动人心的可能性，而在这些领域控制振动是关键。”
该研究得到了美国国家科学基金会（2011839, 2246564, 1943895, 2230400）、空军科学研究局（FA9550-22-1-0408）、韦尔奇基金会（C-2144）和北德克萨斯大学的支持。