德國的科學家們最近揭示了如何利用納米尺度成像技術，例如尖端增強拉曼光譜（TERS），因金屬表面而產生的失真。他們開發了一種強大的方法來模擬以埃（angstrom）為單位的原子振動。這項研究由來自馬克斯·普朗克結構與物質動力學研究所（Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, MPSD）的 Krystof Brezina 博士和 Mariana Rossi 博士，以及來自馬克斯·普朗克高分子研究所（Max Planck Institute for Polymer Research, MPIP）的 Yair Litman 博士共同進行。該團隊的發現挑戰了長期以來對振動圖像如何表示原子運動的假設，並提供了一種更準確的方法來解釋高解析度光譜工具的數據。
Mariana Rossi 博士指出，TERS 圖像通常被解釋為原子運動的直接圖譜。所有原子在納米尺度上都會振動，這些原子運動決定了熱耗散、化學反應和材料性能。由於這些振動受到局部化學鍵和周圍環境的影響，因此它們成為材料內部結構和組成的高度敏感指紋。科學家們使用拉曼散射等光譜技術來間接研究振動。然而，傳統方法同時從大量原子收集信號，這限制了其空間解析度。
為了解決這一挑戰，研究團隊轉向尖端增強拉曼光譜（TERS）。這一強大的分析方法結合了激光光束和一個尖銳的金屬尖端，將電磁場集中到一個微小的體積中。這使得科學家們能夠以亞納米解析度探測原子振動，達到約十億分之一米的埃級別。在這一層面上，他們甚至可以檢查單個分子或二維材料中的缺陷。然而，解釋高度詳細的 TERS 圖像需要可靠的理論模型，這些模型能夠將測量信號與原子尺度的運動聯繫起來。
研究團隊使用了一種基於基本原理的量子模擬來克服這一局限性。他們並不依賴過於簡化的模型，而是建立了一種現實的計算方法，僅使用量子力學的基本法則來刺激包含數百個原子的系統。研究發現，常見的理論捷徑，如將分子視為孤立系統或用小簇近似表面，實際上會導致誤導性結果和簡化的解釋。Rossi 在新聞稿中總結道，結果顯示，表面的電子響應可以主導信號，從根本上改變這些圖像的意義。
研究結果顯示，TERS 對局部環境的對稱性非常敏感。這使得研究人員能夠發現小的結構變化並識別二維材料中的缺陷。此外，金屬表面的電子屏蔽大大改變了垂直於表面的振動圖像，而那些限制在分子平面的振動則受到的影響較小。
根據 Brezina 的說法，原子之間的空間非局部互動可以強烈影響特定空間點的 TERS 信號。他補充道，圖像中最亮的區域不一定反映最大的原子運動。這項研究為更準確的振動運動成像提供了一條途徑，可能會影響幾個新興領域，例如二維材料中的缺陷繪製、單分子電子設備的設計、即時表面催化研究以及下一代基因組測序技術。該研究成果已發表在《ACS Nano》期刊上。
