高压物性测量技术的开发对行星科学和物性物理学等领域非常重要。此前，利用表面等离子体共振使金纳米粒子显色，通过金纳米粒子的颜色变化，来测量高压环境砧室内物质折射率变化，该方法已作为简便且高灵敏度的技术被使用。但金纳米粒子质地较软，超过一定压力后会发生大幅变形，导致出现预期外的颜色变化使得测量出现误差，这成为该方法存在的一个课题。
以日本东北大学多元物质科学研究所的新家宽正助教、北海道大学低温科学研究所的木村勇气教授、鸟取大学工学部机械物理系学科的滩浩树教授、东京大学研究生院综合文化研究科广域科学专业/附属先进科学研究机构的羽马哲也副教授、新潟大学研究生院自然科学研究科的后藤和泰副教授为核心的研究团队，注意到在电介质中形成亚微米空隙会使空隙显色的“米氏空隙共振”现象，从而提出了一种通过观察在坚硬砧体表面制作的米氏空隙颜色变化来测量折射率的方法。相关成果已在线发表在《The Journal of Physical Chemistry C》上。
图1.基于米氏空隙共振的折射率变化检测及其在砧室中的应用。（左上）形成米氏空隙的砷化镓（GaAs）基板的扫描电子显微镜图像（SEM像）与反射光学显微镜图像。反射光学显微镜图像展示了基板周围介质折射率（n）为1和1.38时的状态。可见米氏空隙共振的颜色会随周围介质折射率变化而改变。图片修改自Arslan et al., ACS Photonics 2025, 12 (7) 3945。（右上）砧室的模式图与样品室的光学显微镜图像。（下）本研究制作的4H-SiC砧体的米氏空隙SEM像与反射光学显微镜图像。红色箭头指示砧表面制作的米氏空隙阵列位置。通过米氏空隙阵列的颜色变化可检测高压下物质的折射率变化。（供图：东北大学）
研究团队重点研究了近年来在超光子学领域颇受关注的米氏空隙共振现象。与表面等离子体共振类似，米氏空隙共振的颜色对周围物质的折射率响应灵敏，随着折射率升高，其光谱会向长波方向移动。而砧体材料通常使用电介质。由此，研究团队认为，利用硬砧表面制作的米氏空隙，可以克服表面等离子体共振法存在的课题。
研究团队采用在砧体中广泛应用且折射率相对较高的碳化硅砧体表面聚焦离子束（FIB）加工制作了米氏空隙，并使用该砧体构建了砧室，以超纯水为样品开展了实验。实验在常温（22.5℃）下进行，通过使用将水加压形成结晶化的高压冰Ⅶ填充样品室，然后逐步减压，在观察高压冰Ⅶ向高压冰Ⅵ的相变及高压冰Ⅵ融解为水的过程中，获取米氏空隙的反射光谱。实验证实，随着压力降低，米氏空隙的颜色从红色变为绿色，其反射光谱向短波方向移动。
研究还确认，这种向短波方向的光谱移动几乎不受米氏空隙变形或应变的影响。同时还证实，常用于制作砧体的金刚石也展现出同等灵敏度。表明该方法可以替代基于表面等离子体共振的方法，具有更高的抗压鲁棒性。
原理上，基于米氏空隙的折射率检测能够检测进入空隙中的极微小体积物质的折射率变化。这意味着该方法能够检测出干涉仪或布里渊散射等既往方法难以检测的封闭在砧室内的物质的极其局部的折射率变化。
研究团队在此前的研究中，通过砧室加压，在超纯水结晶形成的冰以及高压冰与水的界面处，发现了一种从宏观体相水中分离出来的未知水——同素不混和水。同素不混和水的物性解析对于理解对生命至关重要的液体具有重要意义，但同素不混和水仅在水与冰的界面处局部生成，厚度仅数微米，既往方法难以测量其折射率。而通过让同素不混和水附着在米氏空隙上，将有可能测量同素不混和水物性之一的折射率。
此次的研究成果为高压物性测量赋予了新的自由度，有望推动行星科学、高压物性科学等依赖高压物性研究的关键科学领域取得新进展。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：The Journal of Physical Chemistry C
论文：Mie Voids for High-Pressure Refractive Index Sensin
DOI：10.1021/acs.jpcc.5c05941
