声子极化激元技术探测层间形变的概念示意图。 受访者供图
材料中几皮米的形变，虽然细小到不及头发丝直径的千万分之一，却能决定一枚芯片的性能。这种微小变化深藏在材料内部，难以观测，更无从触及。如何精准测量，便成了原子制造必须跨过的一道门槛。
近日，上海交通大学、国家纳米科学中心等单位的科研人员成功解决这一难题。他们利用一种由光与晶格振动形成的特殊波，打造出一把能感知原子级形变的“皮米尺”，把材料内部的层间形变转换成清晰的光谱信号。其探测精度达到10皮米，仅为所用红外光波长的约百万分之一。相关成果发表于《自然》。
“原子制造的前提是原子级计量。造得出，还要量得准。”论文通讯作者、上海交通大学教授戴庆告诉科技日报记者，“这项工作，就是先把尺子造出来。”
以光为尺：让“沉默”信号显现
这把尺子的背后，是一种叫声子极化激元的物理现象。晶体内部的原子，就像一群手拉手跳舞的小人，始终在各自的位置附近有节奏地集体振动，这种振动被称为声子。当一束红外光的频率恰好和这个振动节拍合上时，光的电场就会带着原子一起摆动，两者同频共振，合成了一种“你中有我、我中有你”的波——一半是光，一半是晶格振动，这便是声子极化激元。
“普通的光穿过晶体，如同一个路人，几乎不理会原子那点细微的挪动。可声子极化激元有一半是晶格振动本身。层间距哪怕只变化几皮米，原子振动的节奏就会跟着变，混合波的频率也随之改变。这样一来，形变的信息就被清清楚楚地写进了光谱里。”戴庆解释道。
此次，研究团队选择了六方氮化硼为研究对象。六方氮化硼由单原子层堆叠而成，层与层之间的结合力很弱，因此层间距最容易发生细微变化。
问题在于，这种层间方向的振动在常规光谱中是“沉默”的，它几乎不与光直接作用，测不到信号。而声子极化激元的独特之处在于，它的频率恰好由层内和层间振动共同决定。这就打开了一扇窗：层间振动哪怕只带来几皮米的层间距变化，也会牵动声子极化激元的频率跟着移动，原本“沉默”的信号，就可以被转换为光谱上清晰可辨的频率变化。
信号虽然能“看见”了，但接下来的难题是：怎么精确锁定这个信号来自样品上的哪个微小位置？常规的光学显微镜对此无能为力。受衍射极限的限制，它无法分辨远小于光波长的细节，而这里需要观察的结构，比光波长还要小上万倍。
“我们这项研究的一个重要突破在于，不用光来‘看’光，而是用电子来‘看’光。”论文通讯作者、国家纳米科学中心研究员杨晓霞介绍。
以计算为标：给尺子标上刻度
思路有了，但要把它变成一把真正可用的尺子，还需要解决两个问题：怎么测，以及怎么标定刻度。
为此，研究团队与北京大学教授高鹏课题组合作，把高能电子束聚焦得比单个原子还细，让它紧贴材料表面掠过，电子携带的电磁场会激发出声子极化激元。
杨晓霞介绍，电子掠过材料表面后，自身会损失一小份能量。通过分析这份能量损失，就能反推出极化激元的频率，以及它在原子尺度上的变化。
然而，这条路走起来并不轻松。跟高能电子束相比，极化激元的信号就像嘈杂人群中的一句耳语，微弱得极易被掩盖。电子束必须聚得极细，能量又要异常稳定，周围哪怕一丁点机械振动、一丝电磁干扰，都可能把信号完全吞没。依托北京大学先进的电子显微镜平台，团队经过多年技术攻关，才把这套测量方法建立起来。
工具到手，紧接着是更关键的一步：标刻度。频率每移动一格，究竟对应多少皮米的形变？这个刻度，来自一次“先预言、后观测”的精确验证。
苏州实验室研究员丁峰团队通过第一性原理计算，率先给出了理论预言：当六方氮化硼的层间距被压缩时，层间振动会变慢，极化激元的频率随之降低，光谱应当向红端移动。这个预言听起来有些反常识：大多数材料受压后，原子间的相互作用会增强，振动应该加快，光谱会向蓝端移动才对。
反常的根源，藏在“回复力”里。原子偏离平衡位置时，总有力把它往回拉，振动快慢就由这股力的强弱决定。计算表明，只有来自原子近邻之间的短程作用力才会对层间距变化敏感。层间距被压小后，这股短程回复力不增反减，于是振动就慢了下来。研究团队接着对石墨烯、三氧化钼等其他层状材料进行了同样的计算，结果惊人地一致：层间一压，面外横向光学声子振动就变慢。这说明，它并非六方氮化硼独有的巧合，而是层状材料普遍共有的规律。
以实测为证：测量真实复杂结构
规律找到了，但它要成为尺子上的刻度，还必须经受实验的严格检验。研究团队将六方氮化硼放入能产生极高压强的金刚石对顶砧中，一边加压压缩层间距，一边独立测量光谱。“计算预言会红移，加压之后，我们果然看到了连续的红移。”戴庆回忆道。
正因为结果反直觉，计算和实验来回核对了几个月，彻底排除了实验假象，才最终确认了这条规律的可靠性。压缩了多少，光谱就红移多少，两者之间就此建立起明确的对应关系——尺子终于有了刻度。
刻度在手，团队随即测量了真实复杂结构。碲量子点与氮化硼纳米管的复合结构中，微小碲颗粒像硌进书页的石子，把周围层间距挤出形变。电子束扫过，极化激元频率如期红移，换算得到层间压缩约10皮米。人类第一次直接量出了埋在结构内部的原子级应变。
“这次测量证明，皮米级形变已可精准量化，而业界对形变的价值早有体会。”戴庆说，二十多年前，产业界给硅沟道施加了约1%的应变，驱动电流就能提升一到两成半，“应变硅”技术沿用至今。
如今，二维半导体薄到单原子层，已在12英寸晶圆上集成；堆叠封装更把应力深埋进键合界面。结构缩到原子尺度，应力越藏越深，称手的量具却一直缺位。
而这个缺口，正随着新器件的涌现变得愈发迫切。以转角双层石墨烯为例，层间距只需要压缩百分之几，也就是十几皮米，原本不超导的器件就能变成超导体。“层间那点皮米级的差异，正从需要控制的误差，变成可以被利用的功能。”戴庆说，“设计和制造这些器件，先得有一把能伸进结构内部的尺子。”
那么，从实验室造出的这把尺子，离生产线还有多远？戴庆估计，未来三到五年，有望集成出服务于高端科研的计量设备；而要进入芯片产线，成为通用的工业标准，则需要五到十年甚至更久。
“先量得准，才能造得准。”戴庆说，“下一步，是从‘量’走向‘调’，用这种半光半物质的波，在原子尺度上去主动改变材料的性质。”
声子极化激元技术探测层间形变的概念示意图。 受访者供图
材料中几皮米的形变，虽然细小到不及头发丝直径的千万分之一，却能决定一枚芯片的性能。这种微小变化深藏在材料内部，难以观测，更无从触及。如何精准测量，便成了原子制造必须跨过的一道门槛。
近日，上海交通大学、国家纳米科学中心等单位的科研人员成功解决这一难题。他们利用一种由光与晶格振动形成的特殊波，打造出一把能感知原子级形变的“皮米尺”，把材料内部的层间形变转换成清晰的光谱信号。其探测精度达到10皮米，仅为所用红外光波长的约百万分之一。相关成果发表于《自然》。
“原子制造的前提是原子级计量。造得出，还要量得准。”论文通讯作者、上海交通大学教授戴庆告诉科技日报记者，“这项工作，就是先把尺子造出来。”
以光为尺：让“沉默”信号显现
这把尺子的背后，是一种叫声子极化激元的物理现象。晶体内部的原子，就像一群手拉手跳舞的小人，始终在各自的位置附近有节奏地集体振动，这种振动被称为声子。当一束红外光的频率恰好和这个振动节拍合上时，光的电场就会带着原子一起摆动，两者同频共振，合成了一种“你中有我、我中有你”的波——一半是光，一半是晶格振动，这便是声子极化激元。
“普通的光穿过晶体，如同一个路人，几乎不理会原子那点细微的挪动。可声子极化激元有一半是晶格振动本身。层间距哪怕只变化几皮米，原子振动的节奏就会跟着变，混合波的频率也随之改变。这样一来，形变的信息就被清清楚楚地写进了光谱里。”戴庆解释道。
此次，研究团队选择了六方氮化硼为研究对象。六方氮化硼由单原子层堆叠而成，层与层之间的结合力很弱，因此层间距最容易发生细微变化。
问题在于，这种层间方向的振动在常规光谱中是“沉默”的，它几乎不与光直接作用，测不到信号。而声子极化激元的独特之处在于，它的频率恰好由层内和层间振动共同决定。这就打开了一扇窗：层间振动哪怕只带来几皮米的层间距变化，也会牵动声子极化激元的频率跟着移动，原本“沉默”的信号，就可以被转换为光谱上清晰可辨的频率变化。
信号虽然能“看见”了，但接下来的难题是：怎么精确锁定这个信号来自样品上的哪个微小位置？常规的光学显微镜对此无能为力。受衍射极限的限制，它无法分辨远小于光波长的细节，而这里需要观察的结构，比光波长还要小上万倍。
“我们这项研究的一个重要突破在于，不用光来‘看’光，而是用电子来‘看’光。”论文通讯作者、国家纳米科学中心研究员杨晓霞介绍。
以计算为标：给尺子标上刻度
思路有了，但要把它变成一把真正可用的尺子，还需要解决两个问题：怎么测，以及怎么标定刻度。
为此，研究团队与北京大学教授高鹏课题组合作，把高能电子束聚焦得比单个原子还细，让它紧贴材料表面掠过，电子携带的电磁场会激发出声子极化激元。
杨晓霞介绍，电子掠过材料表面后，自身会损失一小份能量。通过分析这份能量损失，就能反推出极化激元的频率，以及它在原子尺度上的变化。
然而，这条路走起来并不轻松。跟高能电子束相比，极化激元的信号就像嘈杂人群中的一句耳语，微弱得极易被掩盖。电子束必须聚得极细，能量又要异常稳定，周围哪怕一丁点机械振动、一丝电磁干扰，都可能把信号完全吞没。依托北京大学先进的电子显微镜平台，团队经过多年技术攻关，才把这套测量方法建立起来。
工具到手，紧接着是更关键的一步：标刻度。频率每移动一格，究竟对应多少皮米的形变？这个刻度，来自一次“先预言、后观测”的精确验证。
苏州实验室研究员丁峰团队通过第一性原理计算，率先给出了理论预言：当六方氮化硼的层间距被压缩时，层间振动会变慢，极化激元的频率随之降低，光谱应当向红端移动。这个预言听起来有些反常识：大多数材料受压后，原子间的相互作用会增强，振动应该加快，光谱会向蓝端移动才对。
反常的根源，藏在“回复力”里。原子偏离平衡位置时，总有力把它往回拉，振动快慢就由这股力的强弱决定。计算表明，只有来自原子近邻之间的短程作用力才会对层间距变化敏感。层间距被压小后，这股短程回复力不增反减，于是振动就慢了下来。研究团队接着对石墨烯、三氧化钼等其他层状材料进行了同样的计算，结果惊人地一致：层间一压，面外横向光学声子振动就变慢。这说明，它并非六方氮化硼独有的巧合，而是层状材料普遍共有的规律。
以实测为证：测量真实复杂结构
规律找到了，但它要成为尺子上的刻度，还必须经受实验的严格检验。研究团队将六方氮化硼放入能产生极高压强的金刚石对顶砧中，一边加压压缩层间距，一边独立测量光谱。“计算预言会红移，加压之后，我们果然看到了连续的红移。”戴庆回忆道。
正因为结果反直觉，计算和实验来回核对了几个月，彻底排除了实验假象，才最终确认了这条规律的可靠性。压缩了多少，光谱就红移多少，两者之间就此建立起明确的对应关系——尺子终于有了刻度。
刻度在手，团队随即测量了真实复杂结构。碲量子点与氮化硼纳米管的复合结构中，微小碲颗粒像硌进书页的石子，把周围层间距挤出形变。电子束扫过，极化激元频率如期红移，换算得到层间压缩约10皮米。人类第一次直接量出了埋在结构内部的原子级应变。
“这次测量证明，皮米级形变已可精准量化，而业界对形变的价值早有体会。”戴庆说，二十多年前，产业界给硅沟道施加了约1%的应变，驱动电流就能提升一到两成半，“应变硅”技术沿用至今。
如今，二维半导体薄到单原子层，已在12英寸晶圆上集成；堆叠封装更把应力深埋进键合界面。结构缩到原子尺度，应力越藏越深，称手的量具却一直缺位。
而这个缺口，正随着新器件的涌现变得愈发迫切。以转角双层石墨烯为例，层间距只需要压缩百分之几，也就是十几皮米，原本不超导的器件就能变成超导体。“层间那点皮米级的差异，正从需要控制的误差，变成可以被利用的功能。”戴庆说，“设计和制造这些器件，先得有一把能伸进结构内部的尺子。”
那么，从实验室造出的这把尺子，离生产线还有多远？戴庆估计，未来三到五年，有望集成出服务于高端科研的计量设备；而要进入芯片产线，成为通用的工业标准，则需要五到十年甚至更久。
“先量得准，才能造得准。”戴庆说，“下一步，是从‘量’走向‘调’，用这种半光半物质的波，在原子尺度上去主动改变材料的性质。”
21世纪经济报道见习记者 顾婷婷 杭州报道如何让沉睡在实验室里的专利真正应用到车间，真正面向市场，转化为真正的新质生产力？3月19日，由国家知识产权局组织的高校和科研机构存量专利盘活 3月21日是世界睡眠日，中国主题为“健康睡眠 人人共享”。近日发布的《2023年中国居民睡眠白皮书》显示，我国居民平均睡眠时长6.75小时，平均在零点后入睡，夜间睡眠时长普遍偏短。你是否有睡眠困扰 一个国际团队近日在英国《自然》杂志上发表论文说，他们利用湖水样本培养出一种奇特的光合细菌，它属于绿弯菌门一种此前未知的目，代表了光合作用生物进化过程中的过渡形式。新发现为进一步探索远 3月19日，记者从中国科学院海洋研究所了解到，该所研究团队在国际上首次发布了银鲳的高质量染色体水平参考基因组。相关研究论文近日在线发表于《自然》子刊《科学数据》。银鲳广泛分布于西北太 作为月之暗面的创始人，杨植麟常把他的AGI梦想形容为“登月计划”，长文本就是这个伟大计划的第一步。但现在，随着Kimi的爆火出圈，赛道瞬间变得拥挤，24小时内，阿里、360、百度紧急“出手”，纷 联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）最新发布的评估报告显示，全球温升预计在2021年至2040年内达到1.5℃。报告指出，自IPCC第五次评估报告发布以来，全球减缓气候变化的政策和法律不断增多，但实施 。本文链接：一把“皮米尺”洞见原子秋毫http://www.sushuapos.com/show-2-16937-0.html
声明：本网站为非营利性网站，本网页内容由互联网博主自发贡献，不代表本站观点，本站不承担任何法律责任。天上不会到馅饼，请大家谨防诈骗！若有侵权等问题请及时与本网联系，我们将在第一时间删除处理。
上一篇： 新型仿生脊髓移植物为截瘫患者带来新希望
下一篇： AI在新能源领域落地还面临哪些挑战