新型光学方法助力超精密测量技术发展

来自多特蒙德工业大学、帕德博恩大学和诺丁汉大学的国际研究团队开发出一种新型光学方法，能够探测晶体中超微弱的原子运动。研究团队通过利用光干涉原理，在多特蒙德完成的实验展示了原子运动检测的前所未有的灵敏度。

这项近期发表于《自然·材料》的研究成果，为材料中超快过程研究开辟了新途径。精密光学测量依赖于干涉仪技术，其核心原理是将探测目标距离的激光束与固定路径的参考光束进行干涉。通过精确分析两束光的路径长度差实现测量。最具代表性的应用当属引力波干涉仪，它能探测宇宙中遥远天体事件（如黑洞碰撞）引发的引力波。

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通过结合光学干涉和半导体超晶格的共振特性，实现了对在晶体板中传播的声脉冲的探测。

为实现超高灵敏度，LIGO引力波干涉仪的几何长度达4公里，通过光束多次反射使有效长度增至1,120公里。这种设计可测量干涉臂长度10⁻²²量级的相对变化，相当于约10⁻¹⁸米的绝对位移。这个微小尺度仅相当于质子半径的千分之一，为此需要200瓦的高功率激光，并在谐振腔中将功率提升至700千瓦。

研究团队创新性地采用帕德博恩大学制备的半导体超晶格（纳米级半导体周期性层状结构）作为微型干涉仪，成功实现了同等绝对量级的原子位移干涉测量。该装置的革命性突破在于：其有效尺寸仅约1微米，比引力波干涉仪缩小了十亿倍；所需激光平均功率也仅1微瓦量级，同样降低十亿倍。

在验证实验中，研究人员还运用该技术观测了一个"遥远事件"：使用100飞秒（10⁻¹³秒）激光脉冲加热沉积在晶体基板上的金属薄膜，引发0.1度的温升和小于100阿米（10⁻¹⁶米）的热膨胀。负责关键实验的物理系Alexey Scherbakov研究组Marek Karzel表示："这种超快、超微弱的膨胀产生的声波，在传统检测手段下完全无法捕捉，但通过超晶格干涉仪，我们在基板另一侧清晰探测到了信号。"

研究成员Anton Samusev博士指出与LIGO的差异："不同于LIGO的单次事件检测，我们的方法需要通过多次测量提高信噪比。但在实验室环境下，每秒可进行数百万次重复测量，这相比天文事件（如黑洞碰撞仅发生一次）具有显著优势。"

该技术突破为材料科学研究及量子计量学（涉及晶格振动量子——声子）开辟了广阔前景，标志着超精密测量技术迈入新纪元。

相关技术：https://dx.doi.org/10.1038/s41563-025-02229-3