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为解决原子位移与晶格应变检测灵敏度不足的问题，研究人员开展极化激元探测超短声脉冲的研究。利用 GaAs/AlGaAs 多量子阱（MQW）结构，检测到 100 阿托米热膨胀产生的应变（~10??），为超快过程研究提供高灵敏度工具。
在探索固体材料中超快物理过程的微观机制时，原子位移和晶格应变的精确检测始终是关键挑战。传统的超快 X 射线和电子衍射技术虽能捕捉晶格动力学信息，但其检测灵敏度通常局限于皮米级位移和 10??量级的应变。对于振幅小于皮米的原子运动，如反铁磁体自旋重取向过程中伴随的微小晶格应变（~10??），这些方法便显得力不从心。此外，在光激发金属纳米层的热应力检测、半导体纳米结构的形变势效应等场景中，更高灵敏度的探测手段需求迫切。
为突破这一技术瓶颈，德国多特蒙德工业大学（Technische Universit?t Dortmund）的研究团队开展了极化激元（Polariton）探测超短声脉冲的研究。相关成果发表在《Nature Materials》上，为纳米尺度超快动力学研究开辟了新路径。
研究人员采用的核心技术包括极化激元共振光学检测与飞秒激光泵浦 - 探测技术。实验中使用 GaAs/AlGaAs 多量子阱（MQW）结构作为极化激元载体，其窄带光学共振特性可显著增强光弹效应。通过飞秒激光脉冲加热 100 纳米厚的铝膜，产生仅 0.2 开尔文温升的热膨胀，进而激发振幅低至 100 阿托米（10?1?米）的声脉冲。该声脉冲经 GaAs 衬底传播至极化激元层，通过瞬态反射率变化实现高灵敏度检测。
极化激元探测原理与实验验证
极化激元探测的核心在于利用光弹效应与共振增强机制。当声脉冲携带的动态应变（η(z,t)）作用于极化激元层时，晶格形变通过形变势效应（Ξ）导致激子共振能量偏移，进而调制介质的介电函数（ε）和反射率。理论模型表明，在极化激元共振能量（E?）附近，反射率变化（ΔR）对应变的灵敏度（α）可达 103-10?量级，远高于无共振介质如 SiO?或 Al?O?。实验中，研究人员通过泵浦 - 探测方案，成功检测到应变振幅低至 2×10??的声脉冲，对应位移振幅约 100 阿托米，验证了该方法的超高灵敏度。
动态范围与灵敏度极限
研究显示，极化激元探测具有宽动态范围，反射率信号振幅与泵浦能量（W）在 4 个数量级范围内呈线性关系。通过计算铝膜的热应力（σ??）与温升（ΔT），证实了格林艾森参数（γ）的稳定性，为定量分析热诱导应变提供了依据。进一步理论模拟表明，对于单色声脉冲，灵敏度可提升至 1.5×10?，足以检测约 1 阿托米的位移，接近单声子量子探测的理论极限。
研究结论与意义
该研究首次实现了阿托米级位移和纳米级应变（10??）的光学检测，突破了传统超快衍射技术的灵敏度限制。极化激元探测技术不仅为研究光诱导相变、退磁等超快过程中的晶格动力学提供了新工具，还可应用于范德华材料、量子点等纳米体系的应变成像。其高灵敏度特性有望推动高频量子声子学的发展，为单声子量子操控、生物细胞弹性成像等前沿领域奠定基础。此外，结合声脉冲的层析重建技术，该方法可进一步解析复杂超快过程的时空演化细节，展现出广泛的应用前景。
这项工作通过极化激元与声脉冲的强耦合效应，将微观位移检测精度提升至原子尺度以下，为纳米科技、量子材料和超快光学的交叉研究提供了关键技术支撑，标志着人类在探测物质超快动力学行为方面迈出了重要一步。
