【核心成果】
开发了一种新型高压物性测量技术，通过在高压实验使用的压砧（Anvil Cell）的压砧表面制备超构表面（Metasurface），实现了对高压下物质折射率变化的高精度测量。
与传统方法相比，本技术在简便性、高灵敏度和鲁棒性之间取得了更优的平衡，并能够实现对局部区域的测量，这是以往难以实现的。
本成果将推动行星科学和凝聚态物理学等领域的发展。
【研究概要】
高压物性测量技术的发展对于行星科学和凝聚态物理学等领域具有重要意义。此前，基于金纳米粒子表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance）的颜色变化来测量压砧腔内物质折射率变化的方法，因其简便和高灵敏度而受到关注。然而，金纳米粒子质地较软，在超过一定压力后会发生显著变形，导致出现无法预测的颜色变化，限制了其应用。
针对上述问题，由东北大学多元物质科学研究所新家寛正助教、北海道大学低温科学研究所木村勇气教授、鸟取大学工学部机械物理系学科灘浩树教授、东京大学大学院综合文化研究科广域科学专攻/附属先进科学研究机构羽马哲也准教授、以及新潟大学大学院自然科学研究科后藤和泰准教授为核心的研究团队，关注到一种在介电材料中形成亚微米级空孔时可产生显色现象的“Mie空孔共振”效应，并创新性地提出利用硬质压砧表面制备的Mie空孔的颜色变化来测量折射率变化。该方法不仅具备与金属纳米粒子法相当的简便性和高灵敏度，还展现出更高的压力鲁棒性。本成果有望推动高压相关众多科学领域的发展。
该研究成果已于11月8日（美国太平洋标准时间）在线发表于科学期刊《The Journal of Physical Chemistry C》。
开发基于介电体超构表面的新型高压物性测量技术
——纳米光学测量技术有望应用于行星科学
【详细说明】
研究背景
高压下物质的性质在多个科学领域至关重要。例如，行星内部处于高压状态，高压物质的特性决定了地壳变动等行星动力学行为。同时，高压环境下物质可能呈现超导和奇异电子相等有趣现象。因此，高压物性测量技术的开发对于行星科学和凝聚态物理学等领域具有重要意义。
通常，高压环境通过称为“压砧细胞”的实验装置实现（图1右上）。以往，对压砧细胞中加压样品折射率的测量主要依赖于干涉仪或布里渊散射等技术。这些方法虽然能够极高灵敏度地测量折射率，但需要复杂的光学系统，且存在成本高、需复杂校正等问题，限制了其广泛应用。
近年来，有研究提出利用金属纳米粒子的表面等离子体共振进行测量。金属纳米粒子因表面等离子体共振而显色，且该共振波长会随周围物质折射率的变化而敏感地改变，从而导致颜色变化。利用这一特性的常压折射率变化检测技术已成为一种高灵敏度实用方法。有研究证实，将单分散金纳米粒子引入压砧样品室，通过监测压力引起的表面等离子体共振光谱变化，可以检测样品折射率随压力的变化。该方法无需复杂光学系统，兼具简便性与高灵敏度，前景广阔。
然而，该方法也存在挑战：当压力超过一定限度，金纳米粒子会发生显著变形，导致光谱变化偏离基于原始形状的预测；此外，若周围物质的压缩率低于金纳米粒子，会导致金纳米粒子中电子气体密度增加，从而引入非折射率变化引起的光谱变化。
这些问题的根源在于金纳米粒子质地较软。若能利用更硬物质中存在的、对周围折射率变化同样敏感的现象，则有望克服这些难题。
本研究创新
为此，本研究团队关注到近年来在超构光子学领域备受瞩目的“Mie空孔共振”现象（图1左上）。已知Mie空孔共振产生的颜色会像表面等离子体共振一样，对周围物质的折射率变化做出灵敏响应，折射率升高会导致光谱红移。另一方面，压砧材料通常使用介电体。因此，研究团队设想，若在硬质压砧表面制备Mie空孔，则有望克服表面等离子体共振方法面临的难题。
在本研究中，团队在广泛应用且具有较高折射率的碳化硅压砧表面，采用聚焦离子束加工技术制备了Mie空孔（图1下）。使用该压砧构建压砧细胞，并以超纯水为样品进行实验。实验在常温下进行，通过加压使水结晶形成高压冰VII填充样品室，然后逐步减压，观察高压冰VII向高压冰VI的相变以及高压冰VI融化为水的过程，同时采集Mie空孔的反射光谱（图2）。图2C和D分别展示了减压过程中Mie空孔颜色的反射光学显微镜图像及对应的反射光谱变化。可以观察到，随着减压，Mie空孔的颜色从红色变为绿色，其反射光谱发生蓝移。
除了水的折射率变化，还需考虑其他可能导致光谱蓝移的因素，例如压砧自身折射率变化和压力导致的Mie空孔变形。已知4H-SiC的多型体3C-SiC的折射率随压力变化率为每GPa约8.3×10⁻⁴，假设4H-SiC具有类似值，电磁场分析表明，在实验压力范围内，其反射光谱的影响可忽略不计。另一方面，基于材料硬度指标杨氏模量估算，实验压力范围内形变约为1.4 nm，分析表明这种尺度的Mie空孔形变对反射光谱影响微乎其微。因此，观测到的光谱蓝移极有可能是检测到水的折射率变化的结果。
为了进一步验证光谱蓝移源于水的折射率变化，团队通过电磁场解析，模拟了在实验条件下具有水的可能折射率的介质中Mie空孔的反射光谱。图3展示了实验测得光谱与模拟计算光谱的对比。可以看出，计算得到的光谱变化很好地再现了实验观测到的变化。以上结果表明，利用4H-SiC压砧表面制备的Mie空孔，成功检测到了高压下物质的折射率变化。根据水的可能折射率范围与反射光谱位移量估算的灵敏度，与表面等离子体共振方法相当。这表明本方法可作为表面等离子体共振方法的替代方案，并具备更高的压力鲁棒性。此外，更常用的金刚石压砧具有比4H-SiC更高的杨氏模量，预计其压力鲁棒性更佳。电磁场解析证实，即使使用金刚石替代4H-SiC，仍能保持与4H-SiC相当的灵敏度。因此，采用金刚石压砧有望使本技术在更高压力范围发挥作用。
未来展望
基于Mie空孔的折射率检测技术，原理上能够探测侵入空孔内部的极微量体积物质的折射率变化。这意味着本技术可以测量压砧腔内物质极其局部的折射率变化，而这是基于干涉仪或布里渊散射的传统方法难以实现的。研究团队在先前研究中发现，通过压砧加压使超纯水结晶时，在冰及高压冰与水的界面处，会形成一种与体相水宏观分离的未知水——同素不混水（参见文末过往新闻稿）。阐明同素不混水的物性对于理解生命至关重要的这种液体具有重要意义。然而，同素不混水仅在水与冰界面处局部生成，厚度为数微米，传统方法难以测量其折射率。通过将同素不混水附着于Mie空孔，则有可能测量其折射率这一关键物性参数。不仅如此，本技术还有望用于测量其他传统方法难以应对的物系。
本研究为高压物性测量带来了新的维度，预计将推动行星科学、高压物性科学等依赖高压物性关键数据的科学领域取得新的进展。
