光突破自身極限十萬倍，實現原子尺度物質成像

一項量子效應將微小電子運動轉化為可測量的光，開辟了逐原子研究材料的新途徑。

一個多世紀以來，光在微觀世界的觀測中既是助手也是限制。顯微鏡利用光放大細胞、微生物和納米材料，但光同時具有波動性，無法被壓縮到比其波長更小的斑點。這種衍射極限使得傳統光學顯微鏡難以觀測單個原子。如今，一支研究團隊找到了突破這一瓶頸的方法。

他們使用普通的連續波激光和針尖般鋒利的金屬探針，將光學測量精度推進至約0.1納米，相當于原子間距的尺度。雷根斯堡大學的研究員瓦倫丁·貝格鮑爾表示：“這一巨大突破將光學顯微鏡的分辨尺度提升至傳統光鏡的約十萬分之一。”簡而言之，研究者實現了用光在近乎單個原子尺度上探測物質，而這曾被視作不可能的任務。

將光壓縮至原子間隙

該方法始于將極尖銳的金屬探針極度貼近材料表面。探針與樣品間的間隙被控制在小于單個原子的尺度。當連續波中紅外激光照射這一結構時，光被擠壓進入微小間隙并堆積在探針尖端。這已突破了常規衍射極限，使分辨率達到探針頂端尺寸（約10納米），雖優于普通顯微鏡，但仍不足以分辨原子。

然而，當研究者將探針進一步靠近時，意外現象出現了。盡管系統僅由溫和的連續波激光驅動（而非強超快脈沖），信號卻突然大幅增強，并在埃（亞納米）尺度上呈現清晰變化。研究負責人、雷根斯堡大學博士生費利克斯·席格表示：“在極微小距離下，信號急劇飆升。我們起初并不理解這一現象，直到意識到自己已實現了0.1納米級的原子尺度分辨，才意識到其突破性。”

量子物理揭示原理

其原理根植于量子物理：即使探針與表面未接觸，電子也能隧穿間隙。激光電場驅動電子在探針與樣品間來回振蕩，如同微型天線中運動的電荷，這種運動會產生微弱的電磁信號。研究者通過強度型光學測量捕獲了這一被稱為“近場光學隧穿輻射”的微弱光信號，直接反映了原子尺度的隧穿事件。貝格鮑爾補充道：“關鍵突破在于，我們不再受限于光能被約束的緊密程度，而是直接控制和測量約束在原子尺度的量子電子運動。”

開啟原子尺度光學之門

這項研究表明，光學工具現已能探索曾被認為光無法觸及的尺度。此外，由于該方法采用標準連續波激光器而非昂貴的超快系統，更多實驗室可加以應用。研究者在論文中指出：“我們的發現使得這種隧穿介導的對比機制能與標準光學設備結合，為前所未有的分辨率的光學成像開辟道路。”

該技術有望幫助研究光與物質在關鍵過程發生的尺度（如催化劑、半導體、量子材料和分子電子學內部）的相互作用。若取得成功，科學家用光觀測和測量原子世界的夢想將更接近現實。

該研究已發表于《納米快報》期刊。

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