Detection of acoustic phonons in carbon by Raman spectroscopy
本研究通过拉曼光谱技术，分别利用晶格非晶化和硼掺杂手段，实现了对石墨和金刚石中通常被禁戒的声学声子的探测，且研究结果得到了密度泛函理论计算的支持。
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在每一种固体材料内部，从最坚硬的钻石到最软的铅笔芯，原子从未真正静止。它们不断以有节奏的模式振动，在晶体结构中传递着运动的波纹。科学家们将这些振动称为声子（phonons）。虽然其中一些波涉及原子以复杂的、相反的方式运动，从而改变材料与光相互作用的方式，但最基本的波是声学声子（acoustic phonons）。这些是传递声音和热量的振动，它们带动整个原子点阵同步运动，就像人群一起变换重心移动一样。几十年来，一个顽固的物理规则一直阻止科学家使用研究材料最常用的工具——拉曼光谱（Raman spectroscopy）来观察这些特定的声学波。这种技术通过将激光照射在样品上并分析反射回来的光来进行工作，但在完美的晶体中，严格的对称性规则禁止声学声子反射这种光。为了看到它们，研究人员通常必须使用庞大且昂贵的机器，向厚块材料发射X射线或中子，而这种方法对于驱动现代技术的微小、脆弱的纳米材料来说根本行不通。
现在，一支研究团队发现了一种巧妙的方法，可以绕过这些规则，使用标准的激光设备使声学声子变得可见。通过研究碳的两种最著名的形式——石墨和钻石，他们发现了如何打破隐藏这些振动的对称性。在石墨的情况下，他们通过用高能离子轰击来刻意破坏晶体结构，将有序的层状结构变成了无序的非晶态混乱状态。在钻石中，他们在点阵中引入了硼原子，从而从内部破坏了完美的对称性。这些变化使得声学声子终于能够“发声”，在激光光谱中呈现为清晰的信号。研究人员通过将实验数据与关于这些材料中原子应如何运动的详细计算机模拟进行对比，确认了他们看到的信号确实是他们正在寻找的声学波。
旅程始于石墨，一种由碳原子层堆叠而成的材料。在完美形态下，它在受到激光照射时仅显示出一个明亮的峰值，对应于一种特定类型的振动。团队取了一份石墨样本，并用氙离子对其进行辐照，这个过程在没有将材料完全变成另一种东西的前提下，扰乱了原子的有序排列。当他们将激光照射在这份受损的石墨上时，在较低频率处出现了新的、微弱的信号。通过将这些新信号与材料振动的计算机模型相匹配，研究人员将其识别为此前一直不可见的声学波。具体而言，他们将大约 460 和 620 个频率单位处的信号，与垂直于材料层和平行于材料层的振动联系起来。这证实了仅仅通过引入晶体中的无序性，就能解锁观察这些基本波的能力。
在钻石——已知最坚硬的天然材料——面前，挑战变得更加艰巨。在这里，团队并没有破坏晶体，而是用硼原子填充了它。在完美的钻石中，每个碳原子都位于一个完美的对称位置，但当一个硼原子取代碳原子的位置时，它会产生局部失衡。这种失衡缓解了通常使声学声子保持沉默的严格规则。研究人员在约 590 个频率单位处观察到了一个新的光谱峰值。通过涉及不同颜色激光光以及旋转样品以检查信号随角度变化情况的仔细测试，他们证明了这个峰值来自于由硼的存在所触发的、涉及碳原子本身的特定类型振动。他们排除了该信号源于成对硼原子聚集在一起的可能性，从而确认这确实是单个硼原子扰乱了碳点阵的局部节奏。
随着他们在钻石中增加硼的含量，故事变得更加复杂。位于 590 单位处的信号开始下移，当钻石被高度掺杂时，最终降至 450 单位左右。研究人员意识到，这种偏移不仅仅是由于额外原子使晶体略微变大而导致的振动速度的简单变化。相反，重度掺杂导致钻石点阵变得无序，有效地将部分钻石转变为类似于他们之前研究过的无定形石墨的结构。这一发现表明，科学家们用来测量钻石中硼含量的这种方法，可能会因为材料过于无序而导致结果不准确。
这项工作的意义远不止于碳。通过证明可以通过这些特定方法在石墨和钻石中检测到声学声子，研究人员为研究各种其他材料中的声波和热波打开了大门。他们的方法提供了一种探测纳米材料基本物理性质的方式，而无需依赖此前作为唯一选择的那些庞大、专门的设施。这项研究表明，通过仔细引入无序或特定的杂质，科学家可以将晶体中“沉默”的声学波转化为可见的信号，为洞察固体世界的内在运作机制提供了一个全新的窗口。
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