Nano Lett|突破衍射极限！量子力学打开光学显微镜新纪元
发布时间：2026-02-02 15:50:30 阅读数： 55
近场光学隧道发射微观机制的艺术表现。激光驱动电子（明亮球体）在尖锐金属探针顶端原子（上图）和样品（下图）之间来回跃迁，产生电磁辐射，从而实现原子尺度的全光学显微成像。
来自雷根斯堡大学和伯明翰大学的研究人员突破了光学显微镜的基本局限。借助量子力学效应，他们首次实现了具有原子级分辨率的光学测量。相关成果发表于《纳米快报》期刊。
从智能手机摄像头到太空望远镜，人类对更精细细节的追求推动着技术进步。然而当我们探测越来越微小的尺度时，便遭遇了由光本身设定的根本性限制。由于光具有波动性，衍射效应使得光无法被任意聚焦。因此，传统光学显微镜无法分辨比光波长更小的结构，这使得构成物质的基本单元无法被直接光学观测。
如今，雷根斯堡超快纳米显微中心的研究人员与伯明翰大学的同事合作，开创性地突破了这一限制。他们利用标准连续波激光器，实现了可达原子间距级别的光学测量精度。
突破衍射极限
他们通过将锋利的金属尖端极度靠近待测材料表面——两者间距小于单个原子尺寸——实现了这种惊人的分辨率。连续波激光照射整个系统，将红外光“挤压”进微小间隙，并将其聚焦于尖端顶点。这种光束禁锢技术突破了衍射极限，实现了与尖端曲率半径相当的空间分辨率——通常约为10纳米。
尽管这已较传统远场技术实现飞跃性进步，但分辨原子级特征仍需提升约30倍。为探寻空间分辨率的绝对极限，团队持续将尖端向表面逼近。随后发生的情况令所有人震惊。“在极微小距离下，信号突然剧烈跃升，”雷根斯堡大学的菲利克斯·席格尔表示，“我们当时未能立即理解现象本质。真正的惊喜在于发现我们竟能分辨出0.1纳米级别的原子特征。”
答案在于量子力学。尽管探针与表面在经典意义上并未物理接触，电子仍能穿梭于两者之间。红外光产生的连续振荡电场迫使电子在探针与表面间往复运动——如同无线电天线中的电子振荡，这种运动产生了微弱的电磁信号，而研究人员已经能够探测到这种近场光学隧穿辐射。
中红外 (MIR) 连续波 (cw) 辐射的近场光学隧穿发射 (NOTE)。
量子隧穿揭示原子级细节
伯明翰大学的汤姆·西代博士指出：“令人惊叹的是，仅需一个电子在每百个光周期内穿越小于原子尺寸的距离，便能产生足以被我们探测到的强光。”通过这种发射光，科学家能够以原子级精度测量电子在探针尖端与样品间的运动轨迹，进而揭示导电性等材料特性。
雷根斯堡大学的瓦伦丁·贝格鲍尔指出：“关键突破在于我们不再受限于光的局域化强度，而是直接操控并测量局限于原子尺度的量子电子运动——这一飞跃使光学显微技术突破传统光显微镜分辨极限，达到近十万倍的微观尺度。”
利用中红外连续波辐射光学分辨原子尺度特征
简单激光，广阔前景
关键在于，该效应可通过标准连续波激光驱动实现，而非此前认为必需的高功率昂贵超快激光。这种简易性有望使技术更易普及，加速全球实验室的应用进程。
该研究表明，通过精密操控原子级尖端，光学测量现已能抵达曾被认为不可企及的距离。未来，这种创新方法将使科学家得以在单原子尺度研究材料与光的相互作用，从而揭示这些微观尺度过程如何从根本上决定材料的宏观特性。
