新型太赫兹显微镜突破太赫兹光衍射极限

近日，据《自然》杂志报道，美国麻省理工学院研究团队开发出一种新型太赫兹显微镜，突破太赫兹光衍射极限，首次将太赫兹光聚焦到微观尺度，实现对超导材料中微观量子振动的直接观测。这一突破使科学家得以观测到数十年来一直隐藏的电子行为，为研究高温超导机制及未来太赫兹通信器件提供了新工具。

太赫兹辐射位于微波与红外之间，其振荡频率可达每秒万亿次，与材料中原子和电子的自然振动频率相匹配，因此被认为是研究量子动力学过程的理想“探针”。然而，太赫兹光的波长通常达数百微米，远大于多数微观结构尺寸，导致难以对微尺度样品进行高精度成像。

研究团队通过引入自旋电子发射器突破了这一瓶颈。这种由多层超薄金属构成的装置在激光激发下可产生尖锐的太赫兹脉冲。研究人员将样品紧贴发射器，使太赫兹光在扩散前被局域化，形成“针尖”般的光束，从而能够观察此前无法获取的微观量子细节。

在实验中，团队将新型太赫兹显微镜应用于铋锶钙铜氧化物这一相对高温的超导材料。在接近绝对零度的条件下，他们观察到超导电子形成的无摩擦“超流体”，以太赫兹频率集体来回振荡，就像“凝胶”在微观尺度上的晃动。这种振动模式此前仅存在理论预测中，几十年来一直未被直接观测到。

该显微镜有望帮助科学家更深入理解超导材料的关键性质，推动室温超导研究。同时，该技术也可用于筛选能够发射和接收太赫兹辐射的材料，为未来太赫兹频段无线通信奠定基础。与当前基于微波的通信技术相比，太赫兹通信有潜力实现更高的数据传输速率。

太赫兹辐射属于非电离辐射，对生物组织安全，同时具有一定穿透能力，可穿过织物、塑料和陶瓷等材料，因此近年来在安检成像、医学成像和通信领域受到关注。研究团队指出，新型显微镜未来还可用于研究二维材料中的晶格振动、磁激发等多种发生在太赫兹频段的集体现象。