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

這項(xiàng)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(xué)測量依賴于干涉儀技術(shù)，其核心原理是將探測目標(biāo)距離的激光束與固定路徑的參考光束進(jìn)行干涉。通過精確分析兩束光的路徑長度差實(shí)現(xiàn)測量。最具代表性的應(yīng)用當(dāng)屬引力波干涉儀，它能探測宇宙中遙遠(yuǎn)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(jié)合光學(xué)干涉和半導(dǎo)體超晶格的共振特性，實(shí)現(xiàn)了對在晶體板中傳播的聲脈沖的探測。

為實(shí)現(xiàn)超高靈敏度，LIGO引力波干涉儀的幾何長度達(dá)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(shè)計(jì)可測量干涉臂長度10⁻²²量級的相對變化，相當(dāng)于約10⁻¹⁸米的絕對位移。這個(gè)微小尺度僅相當(dāng)于質(zhì)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(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用帕德博恩大學(xué)制備的半導(dǎo)體超晶格（納米級半導(dǎo)體周期性層狀結(jié)構(gòu)）作為微型干涉儀，成功實(shí)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究人員還運(yùn)用該技術(shù)觀測了一個(gè)"遙遠(yuǎn)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(fù)責(zé)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)的物理系A(chǔ)lexey Scherbakov研究組Marek Karzel表示："這種超快、超微弱的膨脹產(chǎn)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(cè)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，每秒可進(jìn)行數(shù)百萬次重復(fù)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(shù)突破為材料科學(xué)研究及量子計(jì)量學(xué)（涉及晶格振動量子——聲子）開辟了廣闊前景，標(biāo)志著超精密測量技術(shù)邁入新紀(jì)元。

相關(guān)技術(shù)：https://dx.doi.org/10.1038/s41563-025-02229-3