世界首台太赫兹显微镜揭示超导体中隐藏已久的量子涨落

通过将太赫兹光压缩至微观尺度，麻省理工学院的物理学家们捕捉到了超导电子此前不可见的振荡。

麻省理工学院的物理学家建造了一台新型显微镜，可利用太赫兹光观测超导体内部的量子运动。这一进展让科学家得以观察到隐藏了数十年的电子行为。

太赫兹辐射位于电磁频谱中微波与红外线之间，其频率与材料内部原子和电子的自然振动频率相匹配。然而，由于其波长较长，在研究微观样本时几乎无法发挥作用。

现在，麻省理工学院的研究人员找到了一种克服这一限制的方法。他们的太赫兹显微镜将长长的太赫兹波压缩至一个微观光斑。由此诞生的工具能够直接解析固体材料中的量子尺度运动。

突破衍射极限

太赫兹光以每秒数万亿次的频率振荡，这使其成为探测量子振动的理想工具。但太赫兹波的波长长达数百微米。物理定律限制了光能被聚焦的精细程度，因此传统的太赫兹光束会"覆盖式"通过微小样本。

"我们主要的动机是解决这样一个问题：你或许有一个10微米的样本，但你的太赫兹光波长是100微米，"亚历山大·冯·霍根解释道，"你将会错过所有这些在太赫兹区域具有特征指纹的量子相位。"

为了突破这一限制，该团队使用了自旋电子发射器。这些器件由堆叠的超薄金属层构成。当受到激光照射时，金属层内的电子会产生尖锐的太赫兹辐射脉冲。研究人员将样品放置在极其靠近发射器的位置，从而在太赫兹场扩散之前将其捕获。在这种近场区域，光绕过了衍射极限，得以探测纳米尺度的特征。

团队将自旋电子发射器集成到完整的显微镜设计中，并配以过滤多余波长的布拉格镜。该镜面能保护样品免受触发太赫兹发射的激光影响。这套装置使研究人员能够在无损的情况下研究精密材料。目前，该显微镜能够在保持太赫兹灵敏度的同时扫描微观区域。

作为测试案例，团队检测了原子级厚度的铋锶钙铜氧（BSCCO）样品。这种材料在相对较高的温度下会转变为超导态。研究人员将样品冷却至接近绝对零度，然后用太赫兹脉冲对其进行扫描，并记录下太赫兹场穿过样品后的变化。

"我们看到太赫兹场发生了剧烈畸变，在主脉冲之后伴随着微小的振荡，"冯·霍根说，"这告诉我们样品中有某种物质正在发射太赫兹光。"

观测超导运动

进一步分析揭示了信号的来源。显微镜捕捉到了超导电子的集体振荡。这些电子在材料内部形成了无摩擦的超流体。"这台新显微镜现在让我们能够看到一种前所未见的超导电子新模式，"努赫·盖迪克表示。

物理学家们早已预言了这种运动，但直到现在，仍没有仪器能在太赫兹频率下直接观测到它。

除了超导研究，这台显微镜还可能对无线技术产生影响。太赫兹频率有望实现比当今微波系统更快的数据传输。"目前业界正大力推动将Wi-Fi或电信技术提升到太赫兹频率的下一个水平，"冯·霍根说，"如果你拥有一台太赫兹显微镜，你就可以研究太赫兹光如何与微观小型器件相互作用。"

该团队目前计划将显微镜应用于其他二维材料。许多基本激发过程都发生在太赫兹范围。科学家们首次能够放大并观察它们的发生。

这项研究已发表在《自然》期刊上。

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