毕达哥拉斯首先发现弦的振动在特定频率下会急剧增强。这一发现构成了我们声调系统的基础。这种自然振动无处不在地存在于物体中，无论其大小尺度如何，并被广泛用于推导物体的种类、成分和形态。例如，太赫兹频率的分子振动已经成为化学物质识别和大型生物分子结构分析中最常见的指纹。
最近，粒子在介观尺度上的自然振动受到了越来越多的关注，因为这一类别包括广泛的功能粒子，以及大多数生物细胞和病毒。然而，这些介观粒子的自然振动仍然隐藏在现有技术之外。
这些尺寸在100纳米到100 μm之间的粒子预计会以兆赫到千兆赫的频率微弱振动。然而，由于强烈的瑞利翼散射，目前的拉曼和布里渊光谱无法解决这个频率范围，而在宏观系统中广泛应用的压电技术的性能在超过几兆赫兹的频率下显着下降。
在《自然光子学》上发表的一篇题为《利用光学微谐振器的单粒子光声振动光谱学》的新论文中，北京大学肖云峰教授领导的一个团队展示了利用光学微谐振器实时测量单个介孔粒子的自然振动，将振动光谱学的范围扩展到一个新的光谱窗口。
唐水静博士总结了基于微谐振器的振动光谱学的工作原理:“介观粒子的振动频率预计在MHz到GHz之间，它们的振动幅度通常太微小，传统技术无法检测到。为了解决这一问题，人们提出了一种新的振动光谱学。它包括使用短激光脉冲加热粒子并诱导其振动。
“通过将粒子直接放置在高q光学微谐振器上，粒子的振动在微谐振器内产生声波，最终扰动其光学模式，”北京大学研究副教授水静说。
在振动光谱实验中，研究人员将介观颗粒沉积在半径约为30 μm、质量因子约为106的硅微球谐振器上。然后，他们使用脉冲激光(波长为532 nm，持续时间为200 ps)照射粒子并刺激其振动，入射能量密度约为2 pJ μm−2。
将连续波探针激光器耦合到微谐振器上激发其光学模式，并通过监测发射激光的功率来实时检测粒子的振动。对时间响应进行傅里叶变换，得到了粒子的振动谱。
用不同成分、尺寸和内部结构的介观颗粒成功地验证了振动光谱。结果表明，该系统的信噪比达到前所未有的50 dB，检测带宽超过1 GHz。
利用这项创新技术，该团队进一步展示了单细胞水平上微生物物种和生活状态的生物力学指纹。他们发现，同一物种的微生物细胞的自然频率是聚在一起的，由于某些生物物种的高度定义和稳定的形态，形成了独特的指纹。
“这种振动光谱学能够以一种非破坏性的方式对粒子的结构和机械特性进行研究。具体来说，细胞的重要生物力学特性，与它们的物种和生存状态有关，可以从振动光谱中推断出来，”北京大学博雅教授肖云峰博士说。
他补充说:“这项技术允许对大范围的介观粒子进行振动光谱分析，这将以前所未有的精度革命性地推进我们对介观世界的理解。”
活细胞是复杂的生物系统，其力学特性在细胞功能、发育和疾病中起着重要作用。这项工作为研究单细胞水平的生物系统提供了一种新的指纹技术，并将在各个科学领域带来新的见解和发现。
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希望本篇文章《基于光学微谐振器的单粒子光声振动谱研究》能对你有所帮助！
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