畢達哥拉斯首先發(fā)現(xiàn)畢達哥拉斯首先發(fā)現(xiàn)，弦的振動在某些頻率下會顯著增強。這一發(fā)現(xiàn)構(gòu)成了我們音調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這種自然振動無處不在，存在于各種大小的物體中，并被廣泛用于推導(dǎo)其種類、成分和形態(tài)。例如，太赫茲頻率下的分子振動已成為識別化學(xué)物質(zhì)和大型生物分子結(jié)構(gòu)分析最常見的指紋。

近年來，介觀尺度下粒子的自然振動引起了越來越多的關(guān)注，因為這一類別包括了廣泛的功能粒子，以及大多數(shù)生物細胞和病毒。然而，這些介觀粒子的自然振動仍然被現(xiàn)有的技術(shù)所隱藏。

這些尺寸在100納米到100微米之間的粒子預(yù)計會在兆赫茲到吉赫茲頻率下微弱振動。然而，由于強烈的瑞利翼散射，目前的拉曼和布里淵光譜無法解析這個頻率區(qū)間，而被廣泛應(yīng)用于宏觀系統(tǒng)的壓電技術(shù)的性能在幾兆赫茲以上的頻率下顯著退化。

在一篇發(fā)表在《自然·光子學(xué)》上的題為“基于光學(xué)微腔的單顆粒光聲振動譜儀”的新論文中，由北京大學(xué)肖云峰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組展示了使用光學(xué)微諧振器實時測量單個介觀粒子的自然振動，將振動光譜的范圍擴展到一個新的光譜窗口。

唐水晶博士總結(jié)了基于微諧振器的振動光譜學(xué)的工作原理：“介觀粒子通常以MHz到GHz的頻率振動，它們的振幅通常太微小，無法通過傳統(tǒng)技術(shù)檢測。為了解決這個問題，一種新的振動光譜學(xué)被提出。它涉及使用短激光脈沖加熱粒子并誘導(dǎo)其振動�！�

北京大學(xué)研究副教授唐水晶說：“通過直接將粒子放置在高Q光學(xué)微諧振器上，粒子的振動會在微諧振器內(nèi)產(chǎn)生聲波，最終擾動其光學(xué)模式�！�

在振動光譜實驗中，研究人員將介觀顆粒沉積在半徑約為30 μm、質(zhì)量因數(shù)約為106的二氧化硅微球諧振器上，然后使用脈沖激光(波長為532 nm，持續(xù)時間為200 ps)照射顆粒并激發(fā)其振動，入射能量密度約為2 pJ μm^-2。

通過連續(xù)波探針激光器耦合微諧振腔激發(fā)其光模式，通過監(jiān)測透射激光功率實時檢測顆粒振動，利用時間響應(yīng)的傅里葉變換得到顆粒振動譜。

通過使用不同成分、大小和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的介觀粒子，成功地驗證了振動光譜。結(jié)果顯示，信號噪聲比達到了前所未有的50 dB，檢測帶寬超過1 GHz。

利用這一創(chuàng)新技術(shù)，研究團隊進一步在單細胞水平上展示了微生物物種和生存狀態(tài)的生物力學(xué)指紋。他們發(fā)現(xiàn)，由于某些生物物種的形態(tài)高度確定和穩(wěn)定，同一物種的微生物細胞的自然頻率是成束的，形成獨特的指紋。

北京大學(xué)博雅教授肖云峰博士說：“這種振動光譜學(xué)能夠以非破壞性的方式詢問粒子的結(jié)構(gòu)和機械性能。具體來說，細胞的重要生物力學(xué)特性，與它們的物種和生存狀態(tài)有關(guān)，可以從振動光譜中推斷出來�！�

他補充道：“這項技術(shù)允許對廣泛的介觀粒子進行振動光譜分析，這可能會以空前的精度革命性地推進我們對介觀世界的理解�！�

活細胞是復(fù)雜的生物系統(tǒng)，其力學(xué)特性在細胞功能、發(fā)育和疾病中發(fā)揮著重要作用。這項工作為在單細胞水平上研究生物系統(tǒng)提供了一種新的指紋技術(shù)，將導(dǎo)致各個科學(xué)領(lǐng)域的新見解和發(fā)現(xiàn)。

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