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太赫茲顯微鏡直接觀測(cè)微觀量子振動(dòng)

發(fā)布時(shí)間：2026-02-06

來源：科技日?qǐng)?bào)

責(zé)任編輯：科普網(wǎng)

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科技日?qǐng)?bào)北京2月5日電（記者張佳欣）據(jù)《自然》雜志4日?qǐng)?bào)道，美國麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型太赫茲顯微鏡，突破太赫茲光衍射極限，首次將太赫茲光聚焦到微觀尺度，實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)材料中微觀量子振動(dòng)的直接觀測(cè)。這一突破使科學(xué)家得以觀測(cè)到隱藏?cái)?shù)十年的電子行為，為研究高溫超導(dǎo)機(jī)制及未來太赫茲通信器件提供了新工具。

太赫茲輻射位于微波與紅外之間，其振蕩頻率可達(dá)每秒萬億次，與材料中原子和電子的自然振動(dòng)頻率相匹配，因此被認(rèn)為是研究量子動(dòng)力學(xué)過程的理想“探針”。然而，太赫茲光的波長(zhǎng)通常達(dá)數(shù)百微米，遠(yuǎn)大于多數(shù)微觀結(jié)構(gòu)尺寸，導(dǎo)致難以對(duì)微尺度樣品進(jìn)行高精度成像。

研究團(tuán)隊(duì)通過引入自旋電子發(fā)射器突破了這一瓶頸。這種由多層超薄金屬構(gòu)成的裝置在激光激發(fā)下可產(chǎn)生尖銳的太赫茲脈沖。研究人員將樣品緊貼發(fā)射器，使太赫茲光在擴(kuò)散前被局域化，形成“針尖”般的光束，從而能夠觀察此前無法獲取的微觀量子細(xì)節(jié)。

在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)將新型太赫茲顯微鏡應(yīng)用于鉍鍶鈣銅氧化物這一相對(duì)高溫的超導(dǎo)材料。在接近絕對(duì)零度的條件下，他們觀察到超導(dǎo)電子形成的無摩擦“超流體”，以太赫茲頻率集體來回振蕩，就像“凝膠”在微觀尺度上的晃動(dòng)。這種振動(dòng)模式此前僅存在理論預(yù)測(cè)中，幾十年來一直未被直接觀測(cè)到。

該顯微鏡有望幫助科學(xué)家更深入理解超導(dǎo)材料的關(guān)鍵性質(zhì)，推動(dòng)室溫超導(dǎo)研究。同時(shí)，該技術(shù)也可用于篩選能夠發(fā)射和接收太赫茲輻射的材料，為未來太赫茲頻段無線通信奠定基礎(chǔ)。與當(dāng)前基于微波的通信技術(shù)相比，太赫茲通信有潛力實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

太赫茲輻射屬于非電離輻射，對(duì)生物組織安全，同時(shí)具有一定穿透能力，可穿過織物、塑料和陶瓷等材料，因此近年來在安檢成像、醫(yī)學(xué)成像和通信領(lǐng)域受到關(guān)注。研究團(tuán)隊(duì)指出，新型顯微鏡未來還可用于研究二維材料中的晶格振動(dòng)、磁激發(fā)等多種發(fā)生在太赫茲頻段的集體現(xiàn)象。

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