北京大学物理学院高鹏与合作者利用声子极化激元实现皮米级形变高灵敏探测

1951年，物理学家黄昆提出描述长波光学振动—宏观极化—电磁场耦合的黄方程（Huang’s equations），由此奠定了声子极化激元的理论框架，成为后续极化激元研究的基石。70余年后的今天，当纳米科技蓬勃发展，一个核心科学问题在于：当这种准粒子被限域于纳米尺度时，其光-物质耦合特性会涌现出哪些前所未有的新行为能否为新技术与新应用提供关键线索？

近日，北京大学高鹏教授团队联合国家纳米科学中心杨晓霞研究员、上海交通大学戴庆教授、苏州实验室丁峰研究员等合作，成功揭示了这种“囚禁的光”的全新应用潜力——将其转化为一种高灵敏度的皮米传感机制，实现了对埋藏形变的无损探测，精度高达约10皮米（即10⁻¹¹米）。

当这些准粒子被限域于纳米尺度时，传统光学测量受衍射极限限制，难以直接观测其对应的局域光场分布，因而亟需发展新的观测范式，以在实验上捕捉这些被“囚禁”的准粒子。扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱（STEM-EELS）技术正为此提供了突破路径：电子束可聚焦至亚纳米尺度，不仅能够高效激发局域极化激元，还能在实空间中直接描绘其分布特征。高鹏课题组依托北京大学电子显微镜实验室公共技术平台，发展了基于STEM-EELS的声子极化激元测量研究方法，曾原创性地提出并验证了利用STEM-EELS弥补近场显微术在远红外及高动量声子极化激元测量中探测盲区的创新思想。他们与合作者之前在单层氮化硼中观测到超高压缩率声子极化激元；之后进一步在氮化硼纳米管中发现回音壁模式极化激元，将光场紧密束缚于几纳米的管壁中。基于此，研究团队提出核心科学构想：这种被囚禁的光能否转化为一种精密的传感工具？研究团队敏锐地捕捉到，由于光场被极度压缩，其对周围原子层的微小扰动必然极其敏感。基于此，团队提出利用极化激元频移来实现皮米传感的全新构想。

研究团队选取了碲量子点（Te-QD）/氮化硼纳米管（BNNT）体系作为模型。当量子点嵌入纳米管时，会引起管壁原子层的微弱压缩。借助STEM-EELS，团队观测到了这一变化引起的极化激元频率红移。实验发现，量子点附近的面外双曲声子极化激元（oHPs）出现了约20cm⁻¹的显著红移，而面内模式几乎不变；作为对照，碲纳米线体系则无此现象。结合分子动力学模拟与金刚石压砧高压远场红外实验，研究人员成功将这种频率变化与层间压缩建立定量对应关系，证实该区域发生了约4.4—12.3皮米的形变。

图1 STEM-EELS技术探测碲量子点（Te-QD）/氮化硼纳米管（BNNT）异质结中的极化激元响应，实现局域层间形变的皮米尺度测量。a中左右图标度尺分别为20纳米与2纳米

图2 多个Te-QD/BNNT异质结构中的极化激元测量结果。利用STEM-EELS对8个不同异质结进行了测量，发现极化激元频率变化与量子点尺寸及局域结构变形之间存在明确关联。所有比例尺均约为20纳米

这项工作建立了一种基于极化激元增强效应的皮米传感新范式。相比于传统拉曼或荧光技术，该方法兼具非破坏性、超高灵敏度与深亚波长空间分辨率的优势，为探测埋藏界面、二维材料异质结及量子器件的原子级力学行为提供了强有力的新手段。

该成果以“Probing picometre-scale interlayer deformations via hyperbolic polaritons”为题于2026年6月18日发表在《自然》（Nature）。国家纳米科学中心博士研究生张姝、上海交通大学长聘副教授郭相东、北京大学物理学院博士后张潇文和苏州实验室博士研究生杨佳姝为论文共同第一作者。丁峰、高鹏、杨晓霞和戴庆为共同通讯作者。北京大学物理学院博士研究生何沛一参与了相关研究工作。