來自多特蒙德工業(yè)大學、帕德博恩大學和諾丁漢大學的國際研究團隊開發(fā)出一種新型光學方法，能夠探測晶體中超微弱的原子運動。研究團隊通過利用光干涉原理，在多特蒙德完成的實驗展示了原子運動檢測的前所未有的靈敏度。

這項近期發(fā)表于《自然·材料》的研究成果，為材料中超快過程研究開辟了新途徑。精密光學測量依賴于干涉儀技術，其核心原理是將探測目標距離的激光束與固定路徑的參考光束進行干涉。通過精確分析兩束光的路徑長度差實現(xiàn)測量。最具代表性的應用當屬引力波干涉儀，它能探測宇宙中遙遠天體事件（如黑洞碰撞）引發(fā)的引力波。

圖片:搜狗截圖20250517205005.png

通過結合光學干涉和半導體超晶格的共振特性，實現(xiàn)了對在晶體板中傳播的聲脈沖的探測。

為實現(xiàn)超高靈敏度，LIGO引力波干涉儀的幾何長度達4公里，通過光束多次反射使有效長度增至1,120公里。這種設計可測量干涉臂長度10⁻²²量級的相對變化，相當于約10⁻¹⁸米的絕對位移。這個微小尺度僅相當于質子半徑的千分之一，為此需要200瓦的高功率激光，并在諧振腔中將功率提升至700千瓦。

研究團隊創(chuàng)新性地采用帕德博恩大學制備的半導體超晶格（納米級半導體周期性層狀結構）作為微型干涉儀，成功實現(xiàn)了同等絕對量級的原子位移干涉測量。該裝置的革命性突破在于：其有效尺寸僅約1微米，比引力波干涉儀縮小了十億倍；所需激光平均功率也僅1微瓦量級，同樣降低十億倍。

在驗證實驗中，研究人員還運用該技術觀測了一個"遙遠事件"：使用100飛秒（10⁻¹³秒）激光脈沖加熱沉積在晶體基板上的金屬薄膜，引發(fā)0.1度的溫升和小于100阿米（10⁻¹⁶米）的熱膨脹。負責關鍵實驗的物理系Alexey Scherbakov研究組Marek Karzel表示："這種超快、超微弱的膨脹產生的聲波，在傳統(tǒng)檢測手段下完全無法捕捉，但通過超晶格干涉儀，我們在基板另一側清晰探測到了信號。"

研究成員Anton Samusev博士指出與LIGO的差異："不同于LIGO的單次事件檢測，我們的方法需要通過多次測量提高信噪比。但在實驗室環(huán)境下，每秒可進行數(shù)百萬次重復測量，這相比天文事件（如黑洞碰撞僅發(fā)生一次）具有顯著優(yōu)勢。"

該技術突破為材料科學研究及量子計量學（涉及晶格振動量子——聲子）開辟了廣闊前景，標志著超精密測量技術邁入新紀元。

相關技術：https://dx.doi.org/10.1038/s41563-025-02229-3