◎ 科技日报记者 陆成宽

　　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》。

　　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

　　这把尺子的背后，是一种叫声子极化激元的物理现象。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。“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。

　　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。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。

　　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。

　　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。”论文通讯作者、上海交通大学教授戴庆回忆道。

　　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。