纳米时空尺度解析原子集体振动―― 飞秒扫描隧道显微镜实现宽频可调相干声子探针

在纳米尺度和飞秒时间尺度上同时解析原子集体振动，是凝聚态物理和量子材料研究中的重要挑战。

导读

相干声子是固体中原子集体同相位振动的重要激发模式，能够调控材料的电子输运、光学响应、热传导以及力学性质。实现对相干声子的可控激发、高灵敏探测与频率调谐，对于理解纳米尺度能量转移过程以及开发新型声子器件具有重要意义。

传统超快光谱技术通常受光学衍射极限制约，难以直接解析纳米尺度声子动力学；与此同时，基于微纳机械结构的声子传感器件往往存在工作频率固定、调谐范围有限等问题。

北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔轻元素量子材料交叉平台江颖课题组将飞秒激光技术与扫描隧道显微镜（STM）相结合，引入局域表面等离激元增强效应，研发了一种兼具纳米空间定位能力与飞秒时间分辨能力的相干声子探测技术。

研究团队利用银针尖与金衬底构建纳米隧穿结，通过飞秒脉冲激发局域表面等离激元，揭示了 NaCl 纳米团簇中相干声子的激发机制，并利用 STM 针尖操控技术制备出频率覆盖 15GHz 至 1THz 的宽频可调相干声子探针。

相关成果以“Nanoscale Coherent Phonons with Broadband Frequency Tunability” 为 题， 于 2026 年 6 月 8 日在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters），并被选为编辑推荐论文（Editors’ Suggestion）。

该研究为探索纳米尺度相干声子的动力学行为，以及声子调控电子、光学、力学和热学性质提供了新的实验手段。

Part 1

科学背景：

探索纳米尺度声子动力学的新窗口

相干声子是固体中原子集体振动的一种特殊状态，其特点是大量原子保持相同相位进行集体振荡。作为连接电子、自旋、光子等自由度的重要媒介，相干声子在调控材料性质和研究非平衡物理过程中发挥着重要作用。

在高频区域，相干声子能够参与电子输运调控、光学响应调节以及热能传递过程，因此在能量输运、纳米传感、声子器件等领域具有重要研究价值。

然而，要在纳米尺度上实现高频相干声子的直接激发和探测，仍面临空间分辨率、时间分辨率以及频率调谐能力之间的综合制衡难题。

传统超快光谱方法能够提供飞秒级时间分辨，但受到光学衍射极限限制，其空间分辨能力通常难以达到纳米尺度。而传统扫描隧道显微镜（STM）虽然具有原子级空间分辨能力，但受限于电子学测量带宽，难以直接捕捉超快动力学过程。

如何在同一实验体系中结合 STM 的纳米空间定位能力与飞秒激光的超快时间分辨能力，并进一步实现高频声子模式的可调谐激发与探测，是该领域长期存在的关键科学难题。

江颖课题组此前研制了国内首台超快扫描隧道显微镜，实现了飞秒时间分辨与原子尺度空间分辨的结合，并成功用于研究表面量子体系中的超快非平衡动力学过程，为此次相干声子研究提供了关键技术基础。

Part 2

技术突破：

飞秒 STM 与局域表面等离激元增强技术的结合

2.1 研究思路：构建可调谐相干声子纳米探针

传统扫描隧道显微镜主要用于实现纳米尺度甚至原子尺度的结构成像，而本研究进一步拓展了 STM 针尖的功能，将其发展为能够参与相干声子激发与探测的纳米尺度功能化探针。

研究团队的核心思路是：利用飞秒激光脉冲激发针尖—样品纳米隧穿结中的局域表面等离激元，通过超快光电流响应记录纳米结构中的动力学过程；同时借助 STM自身具备的原子级操控能力，在针尖端构筑不同尺寸的纳米团簇，从而获得具有不同机械共振频率的相干声子探针。

该技术路线实现了三个关键能力的结合：

（一）将飞秒激光技术与扫描隧道显微镜结合，使实验系统同时具备纳米空间定位能力和飞秒时间分辨能力；

（二）利用针尖—样品纳米腔中的局域表面等离激元增强效应，提高超快光电流信号对局域动力学过程的响应能力；

（三）通过针尖操控调节纳米团簇尺寸，实现相干声子共振频率的可控调节。

2.2 实验体系：银针尖—金衬底纳米隧穿结中的等离激元增强过程

实验中，研究团队构建了由银针尖和金衬底组成的纳米隧穿结结构。

当飞秒激光脉冲作用于针尖—样品形成的纳米间隙区域时，会激发局域表面等离激元（localized surface plasmon）。由于纳米腔中的电磁场增强效应，等离激元相关的超快电子过程能够产生明显的光电流响应。

研究人员利用这一增强效应，将超快光电流作为探测纳米团簇机械振动的重要信号来源。

进一步地，研究团队利用 STM 针尖操控技术，在针尖端制备不同尺寸的 NaCl 纳米团簇，使其作为具有不同振动特征的相干声子探针。通过调节纳米团簇尺寸，研究人员实现了对相干声子共振频率的连续调控。

2.3 关键发现：等离激元诱导热电子瞬态压力驱动相干声子激发

研究团队通过超快光电流信号，对 NaCl 纳米团簇中的相干声子行为进行了时域观测，并揭示了其产生机制。

实验结果表明：飞秒激光脉冲激发局域表面等离激元后，产生的非平衡热电子会引起瞬态压力变化，该压力作用于纳米团簇结构，从而驱动其产生相干声学振动。

这一机制说明，等离激元衰减过程中产生的热电子并不仅仅表现为能量耗散过程，还能够通过瞬态压力变化实现对纳米结构机械运动的相干驱动。

该研究将局域表面等离激元、非平衡电子动力学以及纳米尺度声子激发过程联系起来，为理解光驱动纳米机械 振动提供了新的物理图像。

2.4 频率调谐机制：基于纳米团簇尺寸调控的宽频范围

研究团队进一步研究了纳米团簇尺寸对相干声子频率的影响。

由于纳米团簇尺寸决定其内部机械振动模式，因此通过 STM 针尖操控改变团簇大小，可以调节相干声子的共振频率。

实验结果显示，该方法能够实现约 15GHz 至 1THz范围内的宽频连续调谐，覆盖了从微波到太赫兹的宽频段范围。

此外，研究发现，当针尖上的相干声子探针与样品表面的声子模式发生耦合时，会出现模式杂化现象。这种耦合导致的频率变化和振动衰减特征，与局部结构、机械性质以及界面相互作用有关，显示出该体系在纳米尺度物性探测方面的潜在应用价值。

2.5 技术创新意义：实现纳米尺度相干声子的可调谐产生与探测

该研究的主要创新可概括为三个方面：

（一）实现纳米空间与飞秒时间分辨的结合

该工作将 STM 的纳米尺度空间定位能力与飞秒激光的超快时间分辨能力结合，为研究纳米结构中的高频机械动力学提供了新的实验平台。

（二）揭示纳米尺度相干声子的激发机制

研究明确了局域表面等离激元诱导产生的非平衡热电子通过瞬态压力驱动纳米团簇相干振动的物理过程。这一机制为理解光与纳米机械体系之间的能量转换提供了新的认识。

（三）发展宽频可调相干声子探针

通过 STM 针尖操控纳米团簇，研究团队实现了相干声子频率的可调设计，使单一实验体系能够覆盖 15 GHz至 1THz 频率范围。这一策略为未来研究纳米尺度机械振动、局域力学性

Part 3

潜在应用价值与未来发展方向

该研究目前主要基于 NaCl 纳米团簇模型体系验证了宽频可调相干声子探针的构筑方法，其发展的实验技术为研究纳米尺度机械振动、能量传递以及物性调控提供了新的研究工具。

随着探针制备方法、材料体系以及测量方法的进一步发展，该技术有望在多个方向展现应用潜力。

（一）纳米尺度物性表征

相干声子探针与样品表面的机械振动模式之间能够产生耦合效应。研究表明，耦合体系中的共振频率变化以及振动衰减行为，会受到局部结构、界面相互作用以及材料力学性质影响。因此，该方法有望为纳米尺度下材料局域机械性质、界面耦合行为以及微观力学响应研究提供新的测量手段。

相比传统宏观力学测试方法，该技术能够在更小空间尺度上探测材料动态响应，为研究二维材料、纳米结构以及量子材料中的局域物性提供新的实验途径。

（二）纳米尺度热输运研究

声子是固体中热能传递的重要载体。在纳米尺度体系中，界面散射、尺寸限制以及声子模式变化都会影响热输运行为。

由于该技术能够实现对高频相干声子的激发和探测，因此有望用于研究纳米结构中的能量转换过程、声子传播行为以及热耗散机制。该方法将为理解纳米尺度热管理中的基础物理问题提供新的实验工具。

（三）量子材料与量子器件研究

相干声子能够与电子、自旋以及其他集体激发模式发生耦合，是量子材料研究中的重要自由度。宽频可调相干声子探针具备调节振动频率的能力，可为研究不同体系中的声子耦合效应、非平衡动力学过程以及量子材料中的多自由度相互作用提供新的实验平台。

未来，该技术有望应用于声子调控材料性质以及发展新型量子功能器件相关研究。

（四）声子学（Phononics）研究的新实验工具

近年来，利用声子作为信息传递、能量调控和功能调节载体的声子学受到广泛关注。然而，不同材料体系中的声子模式频率跨度较大，传统固定频率器件难以满足复杂体系研究需求。该研究提出的宽频可调相干声子探针，为探索高频机械振动模式及其与电子、光学自由度之间的相互作用提供了新的实验方案。

需要指出的是，从实验室原型到实际应用仍需解决多个问题，包括针尖功能化制备的重复性、探针长期稳定性、不同材料体系适配能力以及测量体系工程化集成等，未来仍需要进一步研究和优化。

Part 4

总结与展望

北京大学江颖课题组发展的飞秒扫描隧道显微镜相干声子研究方法，实现了纳米尺度空间定位能力与飞秒时间分辨能力的结合，并在 NaCl 纳米团簇体系中揭示了等离激元诱导非平衡热电子通过瞬态压力驱动相干声子振动的物理机制。

研究团队进一步利用扫描隧道显微镜针尖操控技术，构建了频率覆盖约 15GHz 至 1THz 范围的宽频可调相干声子探针，实现了对高频纳米机械振动模式的可调谐激发与探测。

该工作拓展了超快扫描隧道显微技术在纳米尺度动力学研究中的应用范围，为研究相干声子与电子、光学、力学及热学性质之间的耦合关系提供了新的实验手段。

未来，随着针尖制备工艺、材料体系拓展以及测量方法进一步完善，该技术有望在纳米尺度物性研究、声子调控以及量子材料动力学研究等方向发挥作用。

科研团队信息

该研究由北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔轻元素量子材料交叉平台江颖课题组完成。

论文共同第一作者包括北京大学物理学院量子材料科学中心博士后赵正朴、博士毕业生吴达（现任东京科学大学助理教授）以及 2022 级博士生张楚惟；共同通讯作者为江颖教授、郭钞宇副研究员（现任阿秒科学中心副研究员）和王恩哥院士。论文其他作者包括曹端云、郑浩天、黄玉清、王钦。

本研究依托北京怀柔轻元素量子材料交叉平台完成。该平台由北京大学与北京怀柔科学城建设发展有限公司共建，是世界首个国际化的轻元素量子材料综合研究中心。平台理事长为王恩哥院士，负责人为江颖教授。

本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、新基石科学基金会以及北京市教育委员会相关项目支持。

来源：怀柔科学城城市客厅新媒体中心 李垚萱

编辑：柯欣

审核：王汝霖

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