物理学院江颖团队利用飞秒扫描隧道显微镜实现超宽频相干声子探测
发布时间: 2026-07-06 11:16:52
相干声子是固体中原子集体同相位振动的物理现象，能够在超高频率下调控材料的电子、光学、热学及力学性质，在能量输运、热耗散、纳米传感、声学器件等前沿领域具备巨大应用潜力。长久以来，传统的相干声子传感器存在两大瓶颈：一方面，现有探测手段空间分辨率多局限于微米级别，可检测频率仅覆盖数GHz至MHz区间；另一方面，相干声子传感器件的共振频率通常是固定的，无法实现灵活调频。
针对上述难题，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，利用自行研制的超快扫描隧道显微镜，发展出宽频可调的相干声子纳米探针技术，为研究凝聚态物质中相干声子调控的电子、光学、力学和热学性质提供了全新的实验工具。
研究团队将飞秒激光技术与扫描隧道显微镜深度融合，结合局域表面等离激元场增强效应，发展了兼具纳米级空间分辨率与飞秒级时间分辨率的相干声子传感技术（图1）。实验选用银针尖与金衬底构建隧穿结，利用飞秒脉冲光激发局域表面等离激元，借助等离激元增强的超快光电流，实时追踪NaCl纳米团簇的相干声子行为。研究证实，纳米团簇的相干声子由等离激元诱导热电子所产生的瞬态压力驱动激发。
图1（a）实验装置示意图；（b）利用针尖操纵技术制备相干声子探针的示意图；（c）相干声子诱导光电流随时间的周期振荡；（d）相干声子探针的特征频谱（15GHz至1THz）
进一步，团队借助扫描隧道显微镜的针尖操控技术，在探针尖端可控吸附不同尺寸的纳米团簇，从而制备出一系列具有不同共振频率的“相干声子探针”。该探针实现了15GHz至1THz的超宽频率连续可调。在此基础上，团队进一步验证了相干声子探针的传感能力。研究表明，针尖与样品表面的相干声子会形成耦合谐振系统，产生模式杂化效应，相干声子的频移、衰减特性与纳米团簇的内部结构、局部曲率、粘弹性等性质高度相关。
这项工作不仅为研究凝聚态物质中相干声子调控的电子、光学、力学和热学性质提供了新一代高精度实验工具，也为相干声子纳米器件的研发奠定了坚实基础。
相关研究成果以“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），并被期刊选为编辑推荐论文（Editors' Suggestion）。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（现东京科学大学助理教授）及2022级博士生张楚惟为论文共同第一作者，江颖、郭钞宇（现为阿秒科学中心副研究员）、王恩哥院士为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、新基石科学基金会等项目及北京市教育委员会的支持。
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