麻省理工科学家实现太赫兹级成像

一种新型的太赫兹显微镜将光压缩到了更小的维度——纳米尺度。

照射在材料上的光能揭示许多信息。光能够揭示其表面，X射线暴露其内部结构，而红外线则能捕捉其发出的热量。

发表在《自然》杂志上的一项研究显示，麻省理工学院的研究人员现已利用太赫兹光展示了超导材料中以前无法探测到的量子振荡。

太赫兹光是电磁波谱中位于微波和红外辐射之间的一种能量形式。它每秒钟振荡超过一万亿次，这正好是原子和电子在材料内自然振动的频率。这使太赫兹光成为探测这些运动的理想工具。

然而，尽管频率正确，但波长（波在空间中重复的范围）是错误的。太赫兹波波长数百微米。由于任何类型的光所能聚焦的最小点都取决于其波长，太赫兹光束无法被严格约束。因此，物理上集中的太赫兹束过大，无法与微观材料有效相互作用，反而会淹没它们，无法揭示精细细节。

这种聚焦的太赫兹光可以揭示材料中以前无法触及的量子特征。

研究人员使用新的显微镜将太赫兹光引导到铋锶钙铜氧化物（BSCCO，发音"BIS-co"）的样本中，这是一种在高温下具有超导特性的材料。

使用太赫兹仪器，研究人员发现，在BSCCO材料内部，超导电子在太赫兹频率下前后振荡，形成了一种无摩擦的"超流体"。

通过用太赫兹光探测BSCCO和其他超导体，科学家可以更深入地了解那些可能导致期待已久的室温超导体的特性。

新型显微镜还可以帮助检测产生和吸收太赫兹辐射的材料。这些材料可能成为未来基于太赫兹的无线通信的基础，这种通信比基于微波的通信能够以更快的速度传输更多数据。

触及极限

一种有趣但大多未被探索的成像技术是太赫兹光。它位于一个特殊的光谱"理想频段"：太赫兹辐射对人体和生物组织使用是安全的，因为它像微波、无线电波和可见光一样，是非电离性的，且能量不足以产生危险的辐射效应。

太赫兹波还可以穿透多种材料，如织物、木材、纸板、塑料、陶瓷，甚至薄砖墙，这点很像X射线。

由于其独特的性质，太赫兹光在无线通信、医学成像和安全筛查领域的应用正被广泛研究。

然而，太赫兹辐射在显微技术和微观现象照明方面的应用受到的关注要少得多。主要原因是衍射极限，它将空间分辨率限制在所用辐射波长的范围左右。所有形式的光都受到这一基本限制。

原子、分子和许多其他微小结构远比太赫兹辐射的波长（数百微米）小得多。因此，其直接分辨微观特征的能力受到严重限制。

放大

研究人员通过使用自旋电子发射器（一种产生短太赫兹脉冲的新技术）克服了太赫兹衍射障碍。自旋电子发射器由许多超薄金属层构成。当激光照射多层结构时，会触发每层内电子的级联效应，导致该结构以太赫兹频率发射能量脉冲。

通过将样本紧贴发射器放置，研究小组能够在太赫兹光传播之前捕获它，从而将其压缩到远小于其波长的区域。在这个领域，光可以克服衍射极限，分辨出以前因太小而无法辨别的细节。

麻省理工学院团队使用这种技术研究了微小的量子尺度现象。在最新的研究中，研究人员制造了一台包含自旋电子发射器和布拉格镜的太赫兹显微镜。这种多层反射膜排列能够连续滤除一些不需要的波长的光，同时允许其他光通过，从而保护样本免受产生太赫兹发射的"有害"激光的伤害。

研究人员通过对一个小的、原子级薄的BSCCO样本进行成像，展示了这种新型显微镜。他们将样本放置在非常靠近太赫兹源的位置，并在接近绝对零度的温度下进行扫描，这个温度足以使材料成为超导体。为了生成图像，他们扫描激光束，让太赫兹光穿过样本，并寻找超导电子留下的独特特征。

研究人员补充说："我们看到太赫兹场被极大地扭曲，在主脉冲之后有小幅振荡。这告诉我们样本中有东西在我们最初的太赫兹脉冲激发后，正在发射太赫兹光。"

经过进一步研究，研究人员确定太赫兹显微镜观察到了材料内超导电子的自然、集体的太赫兹振荡。

"我们看到晃动的正是这种超导凝胶，"研究人员进一步补充道："我们看到晃动的正是这种超导凝胶"。

这种晃动的超流体被预测过，但直到现在才被直接观察到。该团队目前正在使用这种显微镜研究其他二维材料，希望能记录到更多的太赫兹现象。

研究人员总结说："有很多基本的激发，如晶格振动和磁性过程，所有这些集体模式都发生在太赫兹频率。我们现在可以用我们的太赫兹显微镜共振地放大这些有趣的物理现象。"

这项研究部分得到了美国能源部以及戈登和贝蒂·摩尔基金会的支持。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-10082-2