光突破自身极限十万倍，实现原子尺度物质成像

一项量子效应将微小电子运动转化为可测量的光，开辟了逐原子研究材料的新途径。

一个多世纪以来，光在微观世界的观测中既是助手也是限制。显微镜利用光放大细胞、微生物和纳米材料，但光同时具有波动性，无法被压缩到比其波长更小的斑点。这种衍射极限使得传统光学显微镜难以观测单个原子。如今，一支研究团队找到了突破这一瓶颈的方法。

他们使用普通的连续波激光和针尖般锋利的金属探针，将光学测量精度推进至约0.1纳米，相当于原子间距的尺度。雷根斯堡大学的研究员瓦伦丁·贝格鲍尔表示：“这一巨大突破将光学显微镜的分辨尺度提升至传统光镜的约十万分之一。”简而言之，研究者实现了用光在近乎单个原子尺度上探测物质，而这曾被视作不可能的任务。

将光压缩至原子间隙

该方法始于将极尖锐的金属探针极度贴近材料表面。探针与样品间的间隙被控制在小于单个原子的尺度。当连续波中红外激光照射这一结构时，光被挤压进入微小间隙并堆积在探针尖端。这已突破了常规衍射极限，使分辨率达到探针顶端尺寸（约10纳米），虽优于普通显微镜，但仍不足以分辨原子。

然而，当研究者将探针进一步靠近时，意外现象出现了。尽管系统仅由温和的连续波激光驱动（而非强超快脉冲），信号却突然大幅增强，并在埃（亚纳米）尺度上呈现清晰变化。研究负责人、雷根斯堡大学博士生费利克斯·席格表示：“在极微小距离下，信号急剧飙升。我们起初并不理解这一现象，直到意识到自己已实现了0.1纳米级的原子尺度分辨，才意识到其突破性。”

量子物理揭示原理

其原理根植于量子物理：即使探针与表面未接触，电子也能隧穿间隙。激光电场驱动电子在探针与样品间来回振荡，如同微型天线中运动的电荷，这种运动会产生微弱的电磁信号。研究者通过强度型光学测量捕获了这一被称为“近场光学隧穿辐射”的微弱光信号，直接反映了原子尺度的隧穿事件。贝格鲍尔补充道：“关键突破在于，我们不再受限于光能被约束的紧密程度，而是直接控制和测量约束在原子尺度的量子电子运动。”

开启原子尺度光学之门

这项研究表明，光学工具现已能探索曾被认为光无法触及的尺度。此外，由于该方法采用标准连续波激光器而非昂贵的超快系统，更多实验室可加以应用。研究者在论文中指出：“我们的发现使得这种隧穿介导的对比机制能与标准光学设备结合，为前所未有的分辨率的光学成像开辟道路。”

该技术有望帮助研究光与物质在关键过程发生的尺度（如催化剂、半导体、量子材料和分子电子学内部）的相互作用。若取得成功，科学家用光观测和测量原子世界的梦想将更接近现实。

该研究已发表于《纳米快报》期刊。

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