麻省理工學院的物理學家研發出一種新型顯微鏡，能夠利用太赫茲光觀察超導體內部的量子運動。這項進展讓科學家能夠觀察到過去數十年來無法探測的電子行為。太赫茲輻射位於微波和紅外線之間，其頻率與材料內部原子和電子的自然振動相匹配。然而，由於其長波長，太赫茲光在研究微觀樣本時幾乎無法使用。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能夠將長太赫茲波壓縮成微觀點，從而直接解析固體材料中的量子級運動。
太赫茲光以每秒數兆次的頻率振盪，這使其成為探測量子振動的理想選擇。不過，太赫茲波的波長可達數百微米，物理學限制了光的聚焦程度。因此，傳統的太赫茲光束無法精確覆蓋微小樣本。研究人員Alexander von Hoegen表示：「我們的主要動機是這個問題，假設你有一個10微米的樣本，但你的太赫茲光卻有100微米的波長，這樣會錯過許多在太赫茲範圍內具有特徵指紋的量子相位。」
為了繞過這一限制，研究團隊使用了自旋電子學發射器。這些設備由超薄金屬層堆疊而成，當激光照射到這些層上時，層內的電子便會產生尖銳的太赫茲輻射脈衝。研究人員將樣本極其接近發射器，這樣便能在太赫茲場擴散之前將其捕捉。透過在近場範圍內，光線可以繞過衍射限制，探測到納米級特徵。
團隊將自旋電子學發射器整合到完整的顯微鏡設計中，並與布拉格鏡配對，過濾不需要的波長。該鏡子能夠保護樣本免受觸發太赫茲輻射的激光影響。這種設置使研究人員能夠在不損壞樣本的情況下研究精細材料。顯微鏡現在可以掃描微觀區域，同時保留太赫茲的靈敏度。
作為測試案例，團隊檢查了一種原子薄的鉍鋇鈣銅氧化物（BSCCO）樣本。這種材料在相對高的溫度下會變成超導體。研究人員將樣本冷卻至接近絕對零度，然後用太赫茲脈衝掃描樣本，同時記錄經過樣本後場的變化。von Hoegen表示：「我們觀察到太赫茲場明顯扭曲，主脈衝後面出現微小的振盪，這告訴我們樣本內部某些東西在發射太赫茲光。」
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盪。這些電子在材料內部形成了一種無摩擦的超流體。研究人員Nuh Gedik表示：「這台新顯微鏡讓我們能夠看到一種新的超導電子模式，這是以前從未見過的。」物理學家們長期以來一直預測這種運動，但直到現在，沒有任何儀器能夠在太赫茲頻率下直接可視化它。
除了超導性，這台顯微鏡還可能對無線技術產生影響。太赫茲頻率承諾能夠比當前的微波系統實現更快的數據傳輸。von Hoegen表示：「目前有一個巨大的推動力，試圖將Wi-Fi或電信技術提升到下一個層次，即太赫茲頻率。」如果擁有一台太赫茲顯微鏡，則可以研究太赫茲光如何與微小設備相互作用。團隊現在計劃將顯微鏡應用於其他二維材料，因為許多基本激發都發生在太赫茲範圍內。科學家們能夠首次放大並觀察這些現象的發展。研究結果已發表在《自然》期刊上。
