科学家让电子在原子间跳舞：量子隧穿把光学显微镜推到埃米级
发布时间：2026-02-01 17:39:18 浏览量：1
一根针尖，一束普通激光，还有那些喜欢在原子间穿墙而过的电子。德国雷根斯堡大学和英国伯明翰大学的研究团队用这个简单配方，完成了光学显微镜150年来最戏剧性的突破，将空间分辨率从200纳米一举推进到0.1纳米，缩小了近10万倍的距离。
这个发表在《纳米快报》上的成果意味着，科学家首次实现了用光学方法直接观察原子级别的结构细节。而完成这一壮举的，不是昂贵复杂的超快激光系统，而是随处可见的连续波激光器。
1873年，德国物理学家恩斯特·阿贝给光学显微镜判了"死刑"。他证明，由于光的波动性和衍射效应，传统光学显微镜的分辨率无法突破可见光波长的一半，大约200纳米。这个被称为"衍射极限"的物理定律，在此后一个半世纪里统治着整个显微成像领域。
可见光的波长在400到700纳米之间，而原子的直径只有0.1到0.3纳米，相差了近千倍。这意味着用传统光学显微镜观察单个原子，就像试图用一根粗绳去捆绑一粒沙子，物理上根本做不到。科学家们要么转向电子显微镜或扫描隧道显微镜，要么接受这个残酷现实。
过去几十年，超分辨率荧光显微镜的出现曾给人们带来希望。2014年诺贝尔化学奖授予了发明STED和PALM等技术的科学家，他们巧妙地绕过衍射极限，将分辨率提高到约20纳米。但这些技术需要荧光标记，且仍然距离原子尺度相差甚远。
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。图片来源：Brad Baxley，PtW
散射型近场光学显微镜是另一个方向。通过将锋利的金属探针靠近样品表面，可以把光"挤压"到针尖附近的纳米级区域，突破衍射极限。这种技术已经能够实现约10纳米的分辨率，但仍然比单个原子的尺寸大30倍左右。
雷根斯堡大学超快纳米成像中心的费利克斯·希格尔和他的同事们原本只是想探索近场光学显微镜的极限。他们使用标准的连续波红外激光照射一个锋利金属探针，探针尖端的曲率半径约10纳米，然后不断将探针移近样品表面，观察光学信号的变化。
当针尖与表面的间距缩小到几个埃米，也就是一个原子直径的量级时，意想不到的事情发生了。"信号强度急剧上升，"希格尔回忆道。更令人震惊的是，他们发现可以分辨出0.1纳米尺度的特征，这是单个原子间距的量级。
起初他们并不理解发生了什么。经过仔细分析，答案逐渐清晰，量子力学在起作用。虽然探针尖端和表面在经典物理意义上没有接触，中间仍隔着一层真空，但电子可以通过量子隧穿效应在它们之间跳跃。红外激光的振荡电场驱使电子在针尖和样品之间来回穿梭，每秒数万亿次。
这些高速运动的电子就像微型无线电天线，会向外辐射电磁波。研究团队探测到的正是这种"近场光学隧穿辐射"。伯明翰大学的汤姆·西迪指出，"令人惊叹的是，每百个光周期中，只有一个电子移动的距离小于原子尺度，就能产生足够强的光供我们探测。"
这个发现的意义不仅在于实现了原子级光学分辨率，更在于改变了近场显微技术的根本逻辑。传统近场光学显微镜的分辨率受限于光能被压缩到多小的空间，而新方法则直接控制和测量原子尺度的电子运动，光只是用来驱动和读取这种量子过程。
图片来源：Nano Letters (2026)。DOI：10.1021/acs.nanolett.5c05319
"决定性的一步在于，我们不再受限于光能被限制的程度，"雷根斯堡大学的瓦伦丁·伯格鲍尔说。"相反，我们能够直接控制和测量原子尺度内的量子电子运动。这一量子飞跃将光学显微镜的分辨率提升到了比传统光学显微镜所能分辨的尺度小近10万倍的长度。"
更重要的是，这种效应可以用标准的连续波激光器驱动，不需要超快激光系统。超快激光脉冲通常持续飞秒到皮秒量级，需要复杂的锁模激光器，成本高昂且维护困难。而连续波激光器价格便宜，稳定可靠，在全球实验室中广泛使用。
研究团队使用的是波长约8微米的中红外连续波激光。这个波长对应的光子能量较低，不会损伤敏感样品，而且红外光可以穿透许多材料，适合研究各种系统。通过探测隧穿电子辐射的光，他们可以测量探针和样品之间的电导率等材料特性，在原子级别上绘制材料的电学性质图谱。
这项技术的应用前景非常广阔。在半导体行业，芯片制程已经进入3纳米节点，晶体管的关键尺寸只有几纳米。能够在原子级别上观察这些器件的电学性质，对于理解其工作机制和优化设计至关重要。
在材料科学领域，许多重要的物理化学过程发生在原子尺度。催化反应往往在催化剂表面的特定原子位点上进行，量子材料的奇异性质源于原子级别的电子相互作用，二维材料如石墨烯的性能高度依赖于原子排列的缺陷和扭转角度。传统的扫描隧道显微镜虽然也能达到原子分辨率，但只能测量电导率，无法获得光学信息。
而光学测量可以提供丰富得多的信息。不同能量的光子对应不同的电子激发和振动模式，通过多波长光学测量可以识别原子类型、化学键状态、局域电子结构等。将原子级空间分辨率与光谱分辨能力结合，有望开创一种全新的显微分析手段。
当然，这项技术目前还处于早期阶段。实验需要在超高真空环境中进行，探针的制备和定位需要极其精密的控制，成像速度也相对较慢。但正如费利克斯·希格尔所说，"这项研究表明，借助对原子级尖端的精确控制，光学测量如今可以达到以往认为无法企及的距离。"
从阿贝在1873年确立衍射极限，到2014年超分辨率荧光显微镜获得诺贝尔奖，再到2026年实现原子级光学分辨率，人类与物理定律的博弈从未停止。而每一次看似不可能的突破，都来自对自然规律更深刻的理解和更巧妙的利用。这次，是量子力学中那些喜欢穿墙而过的电子，帮助我们打开了观察原子世界的光学之窗。
