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

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家建造了一臺新型顯微鏡，可利用太赫茲光觀測超導(dǎo)體內(nèi)部的量子運(yùn)動。這一進(jìn)展讓科學(xué)家得以觀察到隱藏了數(shù)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(nèi)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(fā)揮作用。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)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(yùn)動。

突破衍射極限

太赫茲光以每秒數(shù)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(dá)數(shù)百微米。物理定律限制了光能被聚焦的精細(xì)程度，因此傳統(tǒng)的太赫茲光束會"覆蓋式"通過微小樣本。

"我們主要的動機(jī)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(qū)域具有特征指紋的量子相位。"

為了突破這一限制，該團(tuán)隊使用了自旋電子發(fā)射器。這些器件由堆疊的超薄金屬層構(gòu)成。當(dāng)受到激光照射時，金屬層內(nèi)的電子會產(chǎn)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(fā)射器的位置，從而在太赫茲場擴(kuò)散之前將其捕獲。在這種近場區(qū)域，光繞過了衍射極限，得以探測納米尺度的特征。

團(tuán)隊將自旋電子發(fā)射器集成到完整的顯微鏡設(shè)計中，并配以過濾多余波長的布拉格鏡。該鏡面能保護(hù)樣品免受觸發(fā)太赫茲發(fā)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(qū)域。

作為測試案例，團(tuán)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(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。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(jìn)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(fā)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(zhì)正在發(fā)射太赫茲光。"

觀測超導(dǎo)運(yùn)動

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

物理學(xué)家們早已預(yù)言了這種運(yùn)動，但直到現(xiàn)在，仍沒有儀器能在太赫茲頻率下直接觀測到它。

除了超導(dǎo)研究，這臺顯微鏡還可能對無線技術(shù)產(chǎn)生影響。太赫茲頻率有望實(shí)現(xiàn)比當(dāng)今微波系統(tǒng)更快的數(shù)據(jù)傳輸。"目前業(yè)界正大力推動將Wi-Fi或電信技術(shù)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(tuán)隊目前計劃將顯微鏡應(yīng)用于其他二維材料。許多基本激發(fā)過程都發(fā)生在太赫茲范圍?？茖W(xué)家們首次能夠放大并觀察它們的發(fā)生。

這項研究已發(fā)表在《自然》期刊上。

如果朋友們喜歡，敬請關(guān)注“知新了了”！