新型光學(xué)方法助力超精密測(cè)量技術(shù)發(fā)展
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(guó)際研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型光學(xué)方法，能夠探測(cè)晶體中超微弱的原子運(yùn)動(dòng)。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(dòng)檢測(cè)的前所未有的靈敏度。 9b{g+lMZo
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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(cè)量依賴于干涉儀技術(shù)，其核心原理是將探測(cè)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(zhǎng)度差實(shí)現(xiàn)測(cè)量。最具代表性的應(yīng)用當(dāng)屬引力波干涉儀，它能探測(cè)宇宙中遙遠(yuǎn)天體事件（如黑洞碰撞）引發(fā)的引力波。 ')C _An>X6
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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(duì)在晶體板中傳播的聲脈沖的探測(cè)。 ,Ut!u)
為實(shí)現(xiàn)超高靈敏度，LIGO引力波干涉儀的幾何長(zhǎng)度達(dá)4公里，通過光束多次反射使有效長(zhǎng)度增至1,120公里。這種設(shè)計(jì)可測(cè)量干涉臂長(zhǎng)度10⁻²²量級(jí)的相對(duì)變化，相當(dāng)于約10⁻¹⁸米的絕對(duì)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。 >#${.+ y
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研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用帕德博恩大學(xué)制備的半導(dǎo)體超晶格（納米級(jí)半導(dǎo)體周期性層狀結(jié)構(gòu)）作為微型干涉儀，成功實(shí)現(xiàn)了同等絕對(duì)量級(jí)的原子位移干涉測(cè)量。該裝置的革命性突破在于：其有效尺寸僅約1微米，比引力波干涉儀縮小了十億倍；所需激光平均功率也僅1微瓦量級(jí)，同樣降低十億倍。 !Szgph"ul
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在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，研究人員還運(yùn)用該技術(shù)觀測(cè)了一個(gè)"遙遠(yuǎn)事件"：使用100飛秒（10⁻¹³秒）激光脈沖加熱沉積在晶體基板上的金屬薄膜，引發(fā)0.1度的溫升和小于100阿米（10⁻¹⁶米）的熱膨脹。負(fù)責(zé)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)的物理系A(chǔ)lexey Scherbakov研究組Marek Karzel表示："這種超快、超微弱的膨脹產(chǎn)生的聲波，在傳統(tǒng)檢測(cè)手段下完全無法捕捉，但通過超晶格干涉儀，我們?cè)诨辶硪粋?cè)清晰探測(cè)到了信號(hào)。" |-SI(Khjk
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研究成員Anton Samusev博士指出與LIGO的差異："不同于LIGO的單次事件檢測(cè)，我們的方法需要通過多次測(cè)量提高信噪比。但在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，每秒可進(jìn)行數(shù)百萬次重復(fù)測(cè)量，這相比天文事件（如黑洞碰撞僅發(fā)生一次）具有顯著優(yōu)勢(shì)。" B}TInI%H
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該技術(shù)突破為材料科學(xué)研究及量子計(jì)量學(xué)（涉及晶格振動(dòng)量子——聲子）開辟了廣闊前景，標(biāo)志著超精密測(cè)量技術(shù)邁入新紀(jì)元。 ql%]$`IV6
相關(guān)技術(shù)：https://dx.doi.org/10.1038/s41563-025-02229-3
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