世界首臺太赫茲顯微鏡揭示超導體中隱藏已久的量子漲落

通過將太赫茲光壓縮至微觀尺度，麻省理工學院的物理學家們捕捉到了超導電子此前不可見的振蕩。

麻省理工學院的物理學家建造了一臺新型顯微鏡，可利用太赫茲光觀測超導體內部的量子運動。這一進展讓科學家得以觀察到隱藏了數十年的電子行為。

太赫茲輻射位于電磁頻譜中微波與紅外線之間，其頻率與材料內部原子和電子的自然振動頻率相匹配。然而，由于其波長較長，在研究微觀樣本時幾乎無法發揮作用。

現在，麻省理工學院的研究人員找到了一種克服這一限制的方法。他們的太赫茲顯微鏡將長長的太赫茲波壓縮至一個微觀光斑。由此誕生的工具能夠直接解析固體材料中的量子尺度運動。

突破衍射極限

太赫茲光以每秒數萬億次的頻率振蕩，這使其成為探測量子振動的理想工具。但太赫茲波的波長長達數百微米。物理定律限制了光能被聚焦的精細程度，因此傳統的太赫茲光束會"覆蓋式"通過微小樣本。

"我們主要的動機是解決這樣一個問題：你或許有一個10微米的樣本，但你的太赫茲光波長是100微米，"亞歷山大·馮·霍根解釋道，"你將會錯過所有這些在太赫茲區域具有特征指紋的量子相位。"

為了突破這一限制，該團隊使用了自旋電子發射器。這些器件由堆疊的超薄金屬層構成。當受到激光照射時，金屬層內的電子會產生尖銳的太赫茲輻射脈沖。研究人員將樣品放置在極其靠近發射器的位置，從而在太赫茲場擴散之前將其捕獲。在這種近場區域，光繞過了衍射極限，得以探測納米尺度的特征。

團隊將自旋電子發射器集成到完整的顯微鏡設計中，并配以過濾多余波長的布拉格鏡。該鏡面能保護樣品免受觸發太赫茲發射的激光影響。這套裝置使研究人員能夠在無損的情況下研究精密材料。目前，該顯微鏡能夠在保持太赫茲靈敏度的同時掃描微觀區域。

作為測試案例，團隊檢測了原子級厚度的鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）樣品。這種材料在相對較高的溫度下會轉變為超導態。研究人員將樣品冷卻至接近絕對零度，然后用太赫茲脈沖對其進行掃描，并記錄下太赫茲場穿過樣品后的變化。

"我們看到太赫茲場發生了劇烈畸變，在主脈沖之后伴隨著微小的振蕩，"馮·霍根說，"這告訴我們樣品中有某種物質正在發射太赫茲光。"

觀測超導運動

進一步分析揭示了信號的來源。顯微鏡捕捉到了超導電子的集體振蕩。這些電子在材料內部形成了無摩擦的超流體。"這臺新顯微鏡現在讓我們能夠看到一種前所未見的超導電子新模式，"努赫·蓋迪克表示。

物理學家們早已預言了這種運動，但直到現在，仍沒有儀器能在太赫茲頻率下直接觀測到它。

除了超導研究，這臺顯微鏡還可能對無線技術產生影響。太赫茲頻率有望實現比當今微波系統更快的數據傳輸。"目前業界正大力推動將Wi-Fi或電信技術提升到太赫茲頻率的下一個水平，"馮·霍根說，"如果你擁有一臺太赫茲顯微鏡，你就可以研究太赫茲光如何與微觀小型器件相互作用。"

該團隊目前計劃將顯微鏡應用于其他二維材料。許多基本激發過程都發生在太赫茲范圍。科學家們首次能夠放大并觀察它們的發生。

這項研究已發表在《自然》期刊上。

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