科学家们刚刚使振动变得如此精确，以至于可以发现单个分子
就像池塘上重叠的涟漪可以相互放大或抵消一样，多种波——包括光、声音和原子振动——也会相互干扰。 在量子层面，这种干扰为高精度传感器提供动力，并可用于量子计算。 在发表的一项新研究中科学进展，莱斯大学的研究人员和合作者已经证明了声子之间存在一种强烈的干扰形式——材料构成该系统中热或声音的最小单位或量子的结构。 两个具有不同频率分布的声子相互干扰的现象，称为法诺谐振，比之前报道的任何声子都要大两个数量级。 “虽然这种现象对电子和光子等粒子进行了充分研究，但声子之间的干扰却很少得到探索，”莱斯大学前博士后研究员、第一名张坤岩说该研究的作者。 “这是一个错失的机会，因为声子可以长时间保持其波行为，这使得它们有望成为稳定、高性能的设备。” 通过表明声子可以像光或电子一样有效地利用声子，该研究为新一代基于声子的技术铺平了道路。 该团队的突破取决于在碳化硅底座上使用二维金属。 使用一种称为约束异外延的技术，研究人员在一层石墨烯和碳化硅之间仅插入几层银原子，产生了具有显着量子特性的紧密结合界面。 “二维金属触发并加强了碳化硅中不同振动模式之间的干涉，达到了创纪录的水平，”张说。 研究小组通过在拉曼光谱中观察声子信号的形状来研究声子如何相互干扰，拉曼光谱是一种测量声子材料的振动模式。 该频谱显示出急剧不对称的线形，在某些情况下显示出完全的下降，形成强烈干涉特征的反谐振模式。 事实证明，该效应对碳化硅表面的特异性高度敏感。 碳化硅三种不同表面端接之间的比较揭示了每个表面与其独特的拉曼线形状之间的明显联系。 此外，当研究人员引入单个染料分子到表面，光谱线形状发生了巨大变化。 “这种干扰非常敏感，可以检测到单个分子的存在，”张说。 “它通过简单且可扩展的设置实现无标记的单分子检测。 我们的研究结果为在量子传感和下一代分子检测中使用声子开辟了一条新途径。 探索低温下效应的动态，研究人员证实干扰阻止了纯粹来自声子相互作用而不是电子，这标志着仅声子量子干涉的罕见案例。 这种效应仅在研究中使用的特定二维金属/碳化硅系统中观察到，在常规块状金属中不存在。 这是由于原子级薄金属层实现的特殊过渡途径和表面构型。 该研究还探讨了使用其他二维金属（例如镓或铟）来诱导类似效果的可能性。 由通过微调这些插层的化学成分，研究人员可以设计出具有定制量子特性的定制界面。 “与传统传感器相比，我们的方法具有高灵敏度，无需特殊的化学标签或复杂的设备设置，”莱斯大学电气与计算机工程、材料科学与纳米工程副教授、该研究的通讯作者 Shengxi Huang 说。 “这种基于声子的方法不仅推进分子传感，同时也为能量收集、热管理和量子技术开辟了令人兴奋的可能性，其中控制振动是关键。 该研究得到了美国国家科学基金会 （2011839， 2246564， 1943895， 2230400）、空军科学研究办公室 （FA9550-22-1-0408）、韦尔奇基金会 （C-2144） 和北德克萨斯大学的支持。