简体中文
简体中文
麻省理工学院的物理学家们制造了一种新型显微镜，利用太赫兹光可以观察超导体内部的量子运动。这项技术进步使科学家能够观察到几十年来一直隐藏的电子行为。
太赫兹辐射位于电磁波谱上微波和红外线之间。它的频率与物质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，它几乎无法用于研究微观样品。现在，麻省理工学院的研究人员找到了克服这一限制的方法。他们的太赫兹显微镜可以将长太赫兹波压缩到一个微小的光点中。由此得到的工具可以直接解析固体材料中的量子尺度运动。
太赫兹光以每秒数万亿次的频率振荡。这种频率使其成为探测量子振动的理想选择。但太赫兹波的波长可达数百微米。物理定律限制了光的聚焦程度。因此，传统的太赫兹光束只能掠过微小的样品。“我们的主要动机是这样一个问题：你可能有一个 10 微米的样品，但你的太赫兹光的波长是 100 微米，”亚历山大·冯·霍根说。“你会错过所有在太赫兹波段具有特征指纹的量子相。”为了突破这一限制，研究团队采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，层内的电子会产生太赫兹辐射的尖锐脉冲。研究人员将样品放置在距离发射极非常近的地方。这样就能在太赫兹场扩散之前将其捕获。在这种近场状态下，光可以绕过衍射极限，探测纳米尺度的特征。
该团队将自旋电子发射器集成到完整的显微镜设计中。他们将其与布拉格反射镜结合使用，以过滤掉不需要的波长。该反射镜可保护样品免受引发太赫兹辐射的激光照射。这种装置使研究人员能够在不损坏易损材料的情况下对其进行研究。现在，该显微镜可以在保持太赫兹灵敏度的同时扫描微观区域。作为测试案例，该团队检验了原子级薄的铋锶钙铜氧化物（BSCCO）样品。这种材料在相对较高的温度下会变成超导材料。研究人员将样品冷却至接近绝对零度。然后，他们用太赫兹脉冲扫描样品，同时记录脉冲穿过样品后磁场的变化。冯·霍根说：“我们看到太赫兹场发生了剧烈的扭曲，主脉冲之后出现了一些小的振荡。”“这说明样品中的某些物质正在发射太赫兹光。”
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无摩擦的超流体。这台新型显微镜让我们得以看到一种以前从未有人见过的超导电子的新模式，”努·格迪克说道。物理学家们早就预测到这种运动的存在。但直到现在，还没有任何仪器能够直接观测到太赫兹频率下的这种运动。除了超导技术之外，这种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速度。冯·霍根说：“目前正大力推动将 Wi-Fi 或电信技术提升到下一个水平，即太赫兹频率。”“如果你有一台太赫兹显微镜，你就可以研究太赫兹光如何与微观微小器件相互作用。”该团队现在计划将这种显微镜应用于其他二维材料。许多基本激发都发生在太赫兹范围内。科学家们首次能够放大观察它们的展开过程。
该研究发表在《自然》杂志上。