物理学院本科毕业生梁康楷、全洧可以共同第一作者身份在《Science》发表突破性成果

2026年2月19日，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）李绍巍团队在《Science》发表突破性成果，报道了一种新型红外集成扫描隧道显微镜（infrared-integrated STM, IRiSTM）技术。我校物理学院2016级校友梁康楷与2019级校友全洧可为该论文的共同第一作者。

该技术创新性地将可调谐飞秒红外脉冲引入扫描隧道显微镜的隧穿结区域，依托STM固有的原子级空间分辨能力，通过隧穿电流直接读取分子振动激发产生的电信号，首次在埃米尺度上实现了单分子的宽带红外光谱测量。其核心突破在于将红外探测从传统的“测光信号”转变为“读电信号”，摆脱了纯光学检测的局限，使分子吸收红外光后引发的微小核运动可直接映射至隧穿电流的变化中，同时具备了捕捉传统实验中极微弱泛频与组合带信号的灵敏性。

为实现STM对单分子红外吸收信号的高效探测，该研究验证了两条互为补充的技术路线：第一条基于作用光谱（action spectroscopy）原理，通过统计红外光激发诱导的单分子结构形变概率，重构分子振动光谱；第二条为光调制隧穿电流（photocurrent）检测，借助锁相放大技术，直接测量红外共振吸收引发的隧穿电流微弱调制信号，两条路径相互印证，确保了探测结果的可靠性。

为验证上述技术的可行性，研究团队选取吸附于铜(100)表面的乙炔基自由基（C₂H）作为模型体系——该体系结构简洁，无复杂构象干扰，是单分子红外探测的理想研究对象。实验中，红外激发波长覆盖1.3–6.3 μm（对应波数范围约1587–7692 cm⁻¹），而单个C₂H分子可在铜(100)表面的四个等价吸附构型间发生面内旋转运动。STM通过实时监测针尖高度的四个特征台阶信号，精准捕捉这一动态过程；并以“每百万个激光脉冲触发的分子跃迁事件数”为量化指标，成功构建出能量分辨的单分子振动作用谱。实验结果清晰解析出三个特征振动信号：C–H伸缩振动（ν(C–H)）基频峰位于3169 cm⁻¹，C=C伸缩振动（ν(C=C)）峰约1600 cm⁻¹，以及C–H伸缩振动的一阶泛频（2ν(C–H)）峰6311 cm⁻¹。为进一步验证谱峰指认的准确性，团队通过氘代同位素替换（C₂H→C₂D）开展对照实验，观测到与理论预期完全一致的特征频移，实现了对各振动模式的确认。

在此基础上，研究团队将研究体系拓展至具有生物相关性的单个吡咯烷分子（pyrrolidine）——该分子作为脯氨酸骨架的核心五元含氮杂环，是生命过程中广泛存在的关键结构单元。实验发现，单个吡咯烷分子在STM观测条件下存在两种热力学稳定构象，红外激发可驱动分子在两态之间发生实时构象翻转，但不同振动模式对翻转效率的影响存在显著差异。尤为引人注目的是，部分在传统傅里叶变换红外光谱（FTIR）中极强的振动模，在IRiSTM中几乎无响应，这直接揭示了IRiSTM的振动选择定则与传统红外光谱存在本质区别。

这一差异的核心机制在于，IRiSTM探测的振动信号需满足双重条件——不仅要求分子振动模式能有效吸收红外光子，更关键的是需将吸收的光子能量高效耦合至STM可直接观测的核坐标运动（如驱动吡咯烷五元环褶皱变形的反应坐标）。为阐明该机制，研究团队基于密度泛函理论开展系统理论验证：结果表明，C–H伸缩基频等振动模式虽具有较强的红外吸收截面，但吸收的能量难以通过非谐耦合转移至环褶皱运动的反应坐标，因此无法有效触发构象翻转——这一过程类似敲击未连接琴弦的钢琴键，虽有能量输入（键的振动），却无法产生可被感知的"声学信号"（构象变化）；反之，2ν(C–H)等泛频与组合带振动，凭借更强的非谐性特征及更高效的能量传递通道，能够将吸收的红外能量快速转化为分子构象变化的动能，从而在IRiSTM作用谱中呈现显著增强的响应信号。

研究进一步展示了IRiSTM在单分子化学识别与成像领域的独特潜力。团队将普通吡咯烷、N–D取代体与全氘代体共沉积于同一表面，三者在常规STM形貌表征中几乎难以区分；而通过将红外频率调至特定化学键的特征振动（如ν(C–D)与ν(N–D)），对应同位素分子可被选择性"唤醒"，并在STM视野中呈现特征响应，从而实现了同位素级别的单分子区分与"化学点名"。这一能力的核心价值在于，它将过去仅能在系综平均意义上讨论的分子异质性，转化为可逐个验证、且具备空间定位能力的实验事实，为单分子水平的异质性研究提供了全新手段。

总而言之，IRiSTM技术成功将宽带红外振动光谱、单分子动力学追踪与原子级空间分辨率统一于同一实验框架，不仅补齐了传统红外光谱在单分子尺度探测的技术缺口，更提供了一条直接检验振动能量如何耦合至分子结构变化的实验路径。随着对其选择定则与能量流机制的进一步厘清，该平台有望在表面反应基元步骤解析、局域环境调控下的能量转移研究，以及面向键选择性激发与操控的精准化学控制等前沿领域发挥关键作用，为单分子科学与红外光谱学的交叉融合开辟新的研究方向。

论文链接：Science (2026), doi: 10.1126/science.adz6643

将红外光调谐到不同频率，研究人员即可依据分子独特的振动指纹在单分子尺度上逐一识别它们——仿佛进行一场化学“点名”。图片来源：梁康楷，Science（2026）。

一项新研究通过将激光与扫描隧道显微镜创新结合，首次捕捉到单个分子独特的振动“声音”。图片来源：梁康楷/Google Gemini/UC San Diego Physical Science。

光集成扫描隧道显微镜（LiSTM）实验室全景照片

集成透镜的扫描隧道显微镜探头组件

校友简介：

梁康楷，四川大学物理学院2016级本科校友，现为加州大学圣地亚哥分校（UCSD）物理系博士研究生，师从李绍巍教授，为该论文共同第一作者。

全洧可，四川大学物理学院2019级本科校友，现为加州大学圣地亚哥分校（UCSD）物理系博士研究生，师从李绍巍教授，为该论文共同第一作者。