来自雷根斯堡和伯明翰的研究人员报告称，他们借助量子力学效应实现了原子级分辨率的光学测量，从而突破了传统光学显微镜受衍射效应约束的根本限制。相关成果已发表在《Nano Letters》杂志上。

在传统光学成像中，光具有波动性，聚焦过程会受到衍射限制，导致光学显微镜难以分辨远小于光波长的结构。这意味着，物质的基本构件在常规光学条件下无法被直接以足够精细的尺度观察。

研究团队由雷根斯堡超快纳米显微中心与伯明翰大学的研究人员组成。团队表示，他们使用标准连续波激光器，实现了与单个原子间距相当的光学测量距离。

通过近场探针逼近实现更高分辨率

研究人员将一根锐利的金属探针极其接近样品表面，使两者间隙小于单个原子的尺寸。连续波激光照射后，红外光被限制在探针尖端与样品之间的极小缝隙内并在尖端处集中。研究称，这种方式可绕开远场条件下的衍射限制，使空间分辨率接近探针尖端曲率半径的量级，通常约为10纳米。

团队随后继续缩小探针与表面的距离，以探索空间分辨率的极限。雷根斯堡大学研究人员Felix Schiegl表示，在极小距离下信号出现显著增强，团队进一步确认分辨率达到约0.1纳米的原子尺度特征。

量子隧穿相关发射信号成为关键

研究人员将上述现象归因于量子力学机制：尽管探针与样品表面在经典意义上并未接触，电子仍可在两者之间发生隧穿。红外光的连续振荡电场驱动电子在探针与表面之间往返运动，这种运动会产生微弱电磁信号。研究团队称，他们检测到了这种近场光学隧穿发射。

伯明翰大学Tom Siday博士表示，即便只有“一个电子每百个光周期”在小于原子尺寸的距离上移动，也能产生足够强的光信号供检测。研究人员称，通过对该发射光的测量，可以追踪探针与样品间电子运动，从而以原子级精度获取材料导电性等性质信息。

雷根斯堡大学Valentin Bergbauer表示，该方法的关键在于不再主要受限于光的空间分布，而是直接控制并测量被限制在原子尺度的量子电子运动；其分辨尺度被推进至传统光学显微镜的近十万分之一。

标准连续波激光驱动降低应用门槛

研究团队强调，该效应可由标准连续波激光驱动，而非此前一些设想中所需的昂贵超快激光器。研究人员认为，这一特性有助于降低实验门槛，推动相关技术在更多实验室中应用。

研究还指出，随着对原子尖端的精确控制能力提升，光学测量已能触及此前被认为难以达到的尺度；该方法有望用于研究材料在单原子尺度上与光的相互作用，以进一步理解微观过程与材料宏观性质之间的关联。