MIT打造太赫兹显微镜 首次捕捉“隐形”超导电子运动

麻省理工学院物理学家团队近日实现了一项长期被认为几乎不可能完成的壮举：他们成功“窥视”到超导电子在超快、量子尺度下的运动轨迹。研究人员利用一种基于太赫兹光脉冲的新型显微镜——其辐射频率可达每秒数万亿次振荡——首次捕捉到此前从未被直接观测到的“原子级舞蹈”。

这一突破被认为有望对多个产业产生深远影响。如果人类能更深入理解超导性在量子尺度上的行为机理，就可能加速室温超导材料的开发进程，从而在电网传输、量子计算以及磁悬浮交通等领域带来颠覆性提升。与此同时，这套太赫兹技术本身也具备巨大潜力，它能够在前所未有的高频下收发信号，有望推动未来无线通信、传感设备以及新一代电子系统的超高速数据传输。

相关成果已发表在期刊《自然》上，实验对象是一种名为“铋锶钙铜氧”（BSCCO）的铜基高温超导材料，它在相对较高的温度下即可无损导电。当研究人员用精确调谐的太赫兹脉冲照射该材料时，内部电子开始以一种集体方式运动，其振动频率与入射太赫兹光完全一致。MIT物理学家努赫·格迪克（Nuh Gedik）将这种此前未被捕捉到的行为称为“超导电子的一种新模式”。

实现这一观测的关键，是一台能够将通常长达数百微米的太赫兹辐射“压缩”到量子材料尺度的新型太赫兹显微镜。太赫兹波位于电磁波谱中微波与红外之间，被视为成像领域的“甜点区”：它属于非电离辐射，穿透能力强，同时其振荡频率与原子和电子的天然振动节奏高度匹配。但在此之前，太赫兹波几乎无法用于观察微小结构，根本障碍在于“衍射极限”——光束无法被聚焦到比自身波长更小的尺度。

MIT的博士后研究员亚历山大·冯·赫根（Alexander von Hoegen）及其同事找到了突破这一极限的办法。他们使用了一种自旋电子发射器，这是一种层状金属结构，当受到激光照射时可以产生极为尖锐的太赫兹脉冲。通过将微米级样品放置在极其接近该发射源的位置，团队在光束尚未来得及向外扩散前就将其“困住”，把能量聚焦到远小于波长的区域。这种强烈的空间限域效果，让显微镜得以分辨在传统太赫兹照明下完全不可见的细节。

这套设计还将发射器与布拉格反射镜整合在一起——后者由多层超薄反射层叠加而成，可滤除不需要的光，同时只让目标太赫兹频段通过。这样的结构既能保护脆弱的样品免受光学激光的破坏，又能完整保留研究人员希望捕捉的高频太赫兹信号。

在首次实验中，研究人员将一块BSCCO样品冷却至接近绝对零度，使其进入超导态。当太赫兹脉冲穿过这块低温材料时，探测器在返回场中捕捉到微弱而有规律的振荡——这是电子在内部以集体方式、如同“无摩擦流体”般运动的信号。团队随后将这些实测信号与理论模型进行对比，确认他们是首次真正成像到了量子超流运动本身。“我们看到的就像是一团正在轻微抖动的超导凝胶。”冯·赫根这样形容。

这项可视化成果为理解超导体内部的量子动力学打开了一扇新窗口。科学家希望藉此进一步厘清，究竟有哪些关键因素可以让电子在更高温度下仍保持这种“合作无摩擦”的状态，从而为实现室温超导这一物理与能源技术领域的长期目标提供线索。

冯·赫根认为，太赫兹显微镜的意义远不止于基础物理研究。未来，它还能用于研究纳米尺度天线或传感器中的信号传播，这些器件正是面向太赫兹频段通信技术而设计的候选方案，被视为继当今Wi‑Fi和毫米波系统之后的下一代通信前沿。他指出：“如今业界正大力推动将Wi‑Fi和通信系统提升到太赫兹频段。如果拥有一台太赫兹显微镜，就可以直接观测太赫兹光如何与微观器件发生作用，而这些器件未来很可能成为新一代天线或接收器。”

随着这台新型显微镜的投入使用，团队接下来计划将研究拓展到更多具有奇特电子行为的二维材料上，希望能在太赫兹频段记录下它们内部独特的振动模式。研究人员表示，每一次实验都让他们更接近一个核心问题的答案：当摩擦在电子世界中“消失”时，电子究竟以何种方式协同行动，而这又将如何重塑未来的电子材料与器件格局。