材料中幾皮米的形變，雖然細小到不及頭發絲直徑的千萬分之一，卻能決定一枚芯片的性能。這種微小變化深藏在材料內部，難以觀測，更無從觸及。如何精準測量，便成了原子制造必須跨過的一道門檻。

近日，上海交通大學、國家納米科學中心等單位的科研人員成功解決這一難題。他們利用一種由光與晶格振動形成的特殊波，打造出一把能感知原子級形變的“皮米尺”，把材料內部的層間形變轉換成清晰的光譜信號。其探測精度達到10皮米，僅為所用紅外光波長的約百萬分之一。相關成果發表于《自然》。

“原子制造的前提是原子級計量。造得出，還要量得準。”論文通訊作者、上海交通大學教授戴慶告訴科技日報記者，“這項工作，就是先把尺子造出來。”

以光為尺：讓“沉默”信號顯現

這把尺子的背后，是一種叫聲子極化激元的物理現象。晶體內部的原子，就像一群手拉手跳舞的小人，始終在各自的位置附近有節奏地集體振動，這種振動被稱為聲子。當一束紅外光的頻率恰好和這個振動節拍合上時，光的電場就會帶著原子一起擺動，兩者同頻共振，合成了一種“你中有我、我中有你”的波——一半是光，一半是晶格振動，這便是聲子極化激元。

“普通的光穿過晶體，如同一個路人，幾乎不理會原子那點細微的挪動。可聲子極化激元有一半是晶格振動本身。層間距哪怕只變化幾皮米，原子振動的節奏就會跟著變，混合波的頻率也隨之改變。這樣一來，形變的信息就被清清楚楚地寫進了光譜里。”戴慶解釋道。

此次，研究團隊選擇了六方氮化硼為研究對象。六方氮化硼由單原子層堆疊而成，層與層之間的結合力很弱，因此層間距最容易發生細微變化。

問題在于，這種層間方向的振動在常規光譜中是“沉默”的，它幾乎不與光直接作用，測不到信號。而聲子極化激元的獨特之處在于，它的頻率恰好由層內和層間振動共同決定。這就打開了一扇窗：層間振動哪怕只帶來幾皮米的層間距變化，也會牽動聲子極化激元的頻率跟著移動，原本“沉默”的信號，就可以被轉換為光譜上清晰可辨的頻率變化。

信號雖然能“看見”了，但接下來的難題是：怎么精確鎖定這個信號來自樣品上的哪個微小位置？常規的光學顯微鏡對此無能為力。受衍射極限的限制，它無法分辨遠小于光波長的細節，而這里需要觀察的結構，比光波長還要小上萬倍。

“我們這項研究的一個重要突破在于，不用光來‘看’光，而是用電子來‘看’光。”論文通訊作者、國家納米科學中心研究員楊曉霞介紹。

以計算為標：給尺子標上刻度

思路有了，但要把它變成一把真正可用的尺子，還需要解決兩個問題：怎么測，以及怎么標定刻度。

為此，研究團隊與北京大學教授高鵬課題組合作，把高能電子束聚焦得比單個原子還細，讓它緊貼材料表面掠過，電子攜帶的電磁場會激發出聲子極化激元。

楊曉霞介紹，電子掠過材料表面后，自身會損失一小份能量。通過分析這份能量損失，就能反推出極化激元的頻率，以及它在原子尺度上的變化。

然而，這條路走起來并不輕松。跟高能電子束相比，極化激元的信號就像嘈雜人群中的一句耳語，微弱得極易被掩蓋。電子束必須聚得極細，能量又要異常穩定，周圍哪怕一丁點機械振動、一絲電磁干擾，都可能把信號完全吞沒。依托北京大學先進的電子顯微鏡平臺，團隊經過多年技術攻關，才把這套測量方法建立起來。

工具到手，緊接著是更關鍵的一步：標刻度。頻率每移動一格，究竟對應多少皮米的形變？這個刻度，來自一次“先預言、后觀測”的精確驗證。

蘇州實驗室研究員丁峰團隊通過第一性原理計算，率先給出了理論預言：當六方氮化硼的層間距被壓縮時，層間振動會變慢，極化激元的頻率隨之降低，光譜應當向紅端移動。這個預言聽起來有些反常識：大多數材料受壓后，原子間的相互作用會增強，振動應該加快，光譜會向藍端移動才對。

反常的根源，藏在“回復力”里。原子偏離平衡位置時，總有力把它往回拉，振動快慢就由這股力的強弱決定。計算表明，只有來自原子近鄰之間的短程作用力才會對層間距變化敏感。層間距被壓小后，這股短程回復力不增反減，于是振動就慢了下來。研究團隊接著對石墨烯、三氧化鉬等其他層狀材料進行了同樣的計算，結果驚人地一致：層間一壓，面外橫向光學聲子振動就變慢。這說明，它并非六方氮化硼獨有的巧合，而是層狀材料普遍共有的規律。

以實測為證：測量真實復雜結構

規律找到了，但它要成為尺子上的刻度，還必須經受實驗的嚴格檢驗。研究團隊將六方氮化硼放入能產生極高壓強的金剛石對頂砧中，一邊加壓壓縮層間距，一邊獨立測量光譜。“計算預言會紅移，加壓之后，我們果然看到了連續的紅移。”戴慶回憶道。

正因為結果反直覺，計算和實驗來回核對了幾個月，徹底排除了實驗假象，才最終確認了這條規律的可靠性。壓縮了多少，光譜就紅移多少，兩者之間就此建立起明確的對應關系——尺子終于有了刻度。

刻度在手，團隊隨即測量了真實復雜結構。碲量子點與氮化硼納米管的復合結構中，微小碲顆粒像硌進書頁的石子，把周圍層間距擠出形變。電子束掃過，極化激元頻率如期紅移，換算得到層間壓縮約10皮米。人類第一次直接量出了埋在結構內部的原子級應變。

“這次測量證明，皮米級形變已可精準量化，而業界對形變的價值早有體會。”戴慶說，二十多年前，產業界給硅溝道施加了約1%的應變，驅動電流就能提升一到兩成半，“應變硅”技術沿用至今。

如今，二維半導體薄到單原子層，已在12英寸晶圓上集成；堆疊封裝更把應力深埋進鍵合界面。結構縮到原子尺度，應力越藏越深，稱手的量具卻一直缺位。

而這個缺口，正隨著新器件的涌現變得愈發迫切。以轉角雙層石墨烯為例，層間距只需要壓縮百分之幾，也就是十幾皮米，原本不超導的器件就能變成超導體。“層間那點皮米級的差異，正從需要控制的誤差，變成可以被利用的功能。”戴慶說，“設計和制造這些器件，先得有一把能伸進結構內部的尺子。”

那么，從實驗室造出的這把尺子，離生產線還有多遠？戴慶估計，未來三到五年，有望集成出服務于高端科研的計量設備；而要進入芯片產線，成為通用的工業標準，則需要五到十年甚至更久。

“先量得準，才能造得準。”戴慶說，“下一步，是從‘量’走向‘調’，用這種半光半物質的波，在原子尺度上去主動改變材料的性質。”