研究人员通过将太赫兹光压缩至超出其常规极限，揭示了超导材料内部隐藏的量子“微动”。

你所使用的光源类型，能够揭示出材料截然不同的特性。可见光主要展现的是材料表面的情况，X射线则能深入探测其内部结构，而红外光则凸显出材料所释放的热量。

麻省理工学院的研究人员如今已转而借助太赫兹光，来揭示超导材料中的量子振动现象——这种信号此前科学家一直未能直接观测到。

太赫兹辐射位于电磁波谱中微波与红外线之间。其每秒振荡次数超过万亿次，与诸多固体中原子和电子的自然振动频率高度契合。这种特性使太赫兹光成为研究这些微观运动的有力工具。

挑战在于，太赫兹波波长较长，可达数百微米。由于光线只能聚焦至受其波长限制的点大小，因此太赫兹波束无法被紧密压缩。即便聚焦后，波束对于众多微观样本而言依然过大，以至于在掠过微小特征时无法捕捉到精细细节。

太赫兹领域的显微镜

在发表于《自然》杂志的一项研究中，研究人员介绍了一种新型太赫兹显微镜，该显微镜可将太赫兹辐射聚焦至足够小的光斑，从而对微观特征进行检测。通过将光线聚焦至如此微小的尺度，该仪器能够探测到以往方法无法触及的量子级行为。

为测试该装置，研究团队将太赫兹光引入铋锶钙铜氧化物（简称BSCCO，发音为“BIS-co”）——一种可在相对高温环境下工作的超导体。借助显微镜，他们探测到一种由超导电子构成的无摩擦“超流体”，这些电子协同运动，在材料内部以太赫兹频率来回振荡。

麻省理工学院唐纳物理学教授努·格迪克（Nuh Gedik）表示：“如今，这款新型显微镜让我们得以观察到一种前所未有的超导电子新模式。”

通过运用太赫兹光对铋锶钙铜氧化物（BSCCO）及其他超导体进行探测，科学家们能够更深入地理解那些有望催生梦寐以求的室温超导体的特性。这款新型显微镜还能助力识别能够发射与接收太赫兹辐射的材料。此类材料或将成为未来无线太赫兹通信的基石，相较于当今基于微波的通信技术，其有望以更快的速率传输更多数据。

麻省理工学院材料研究实验室博士后研究员、该研究的主要作者亚历山大·冯·霍根（Alexander von Hoegen）表示：“当前，人们正大力推动将Wi-Fi或电信技术提升至太赫兹频段的新高度。若拥有一台太赫兹显微镜，便能研究太赫兹光如何与微观尺度下的微小装置相互作用，而这些装置未来或可充当天线或接收器。”

除格迪克（Gedik）和冯·霍根（von Hoegen）外，麻省理工学院该研究的合著者还包括汤米·泰（Tommy Tai）、克利福德·阿林顿（Clifford Allington）、马修·杨（Matthew Yeung）、雅各布·佩蒂恩（Jacob Pettine）、亚历山大·科萨克（Alexander Kossak）、李秉勋（Byunghun Lee）和杰弗里·比奇（Geoffrey Beach），以及哈佛大学、马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所、马克斯·普朗克复杂系统物理研究所和布鲁克海文国家实验室的合作者。

达到极限

太赫兹光是一种极具潜力却尚未被充分开发的成像工具。它占据着独特的光谱“黄金区间”：与微波、无线电波及可见光一样，太赫兹辐射属于非电离辐射，因此能量不足以引发有害的辐射效应，可安全应用于人体及生物组织。与此同时，太赫兹波与X射线颇为相似，能够穿透包括织物、木材、纸板、塑料、陶瓷乃至薄砖墙在内的多种材料。

鉴于这些独特属性，太赫兹光正被积极应用于安全筛查、医学成像以及无线通信领域。相比之下，将太赫兹辐射应用于显微成像及微观现象观测的研究则少之又少。这主要归因于所有形式的光均面临的一项根本性限制——衍射极限，该极限将空间分辨率大致限制在所用辐射的波长范围内。

太赫兹辐射的波长可达数百微米，远大于原子、分子及众多微观结构。因此，其直接解析微观特征的能力受到根本性限制。

冯·霍根（von Hoegen）解释道：“我们的主要动机源于这样一个问题：你或许有一个 10 微米的样本，但太赫兹光的波长却有 100 微米，如此一来，你测量的主要对象就会是样本周围的空气或真空，”“而那些在太赫兹波段具有特征信号的所有量子相态，你都将无从探测。”

放大（查看）

研究团队利用自旋电子发射器（一种能产生尖锐太赫兹光脉冲的最新技术）绕过了太赫兹衍射极限。自旋电子发射器由多层超薄金属层构成。当激光照射到这一多层结构上时，光线会触发各层内电子的一系列级联效应，最终使该结构以太赫兹频率发射出一束能量脉冲。

研究团队将样品贴近发射器放置，在太赫兹光尚未扩散之际便将其捕获，实质上是将其压缩至远小于其波长的空间范围内。在此条件下，光线能够突破衍射极限的束缚，解析出以往因尺寸过小而无法观测的细节特征。

麻省理工学院团队对这项技术加以改良，用于观测微观量子尺度现象。在新的研究中，该团队利用自旋电子发射器与布拉格反射镜相结合，研发出一种太赫兹显微镜。这种由多层反射膜构成的结构，能够依次滤除特定不需要的光波长，同时允许其他波长通过，从而保护样品免受激发太赫兹发射的“有害”激光的损害。

为作示范，研究团队运用新型显微镜对一块小型的、原子级厚度的铋锶钙铜氧化物（BSCCO）样本进行成像。他们将样本置于极靠近太赫兹源的位置，并在接近绝对零度的温度下对其进行成像——此温度低至足以使该材料转变为超导体。为生成图像，他们扫描了激光束，让太赫兹光穿透样本，并寻找超导电子留下的特定特征。

冯·霍根（von Hoegen）表示：“我们观察到太赫兹场发生了显著畸变，主脉冲之后伴随着微小振荡。这表明，样品中的某种物质在受到我们初始太赫兹脉冲激发后，发出了太赫兹光。”

经过进一步分析，该团队得出结论：太赫兹显微镜观测到的是材料内部超导电子自然产生的集体太赫兹振荡。

冯·霍根说：“我们看到的这种晃动，正是这种超导凝胶产生的。”

这种晃动的超流体现象虽在预料之中，但直至如今才得以直接观测。目前，该团队正将显微镜应用于其他二维材料的研究，期望能捕捉到更多太赫兹频段的现象。

冯·霍根（von Hoegen）表示：“存在着许多基本激发态，比如晶格振动和磁过程，以及所有这些发生在太赫兹频率下的集体模式。如今，借助我们的太赫兹显微镜，我们能够以共振的方式聚焦于这些有趣的物理现象。”

参考文献：A. 冯·霍根（A. von Hoegen）、T. 泰（T. Tai）、C. J. 阿林顿（C. J. Allington）、M. 杨（M. Yeung）、J. 佩蒂恩（J. Pettine）、M. H. 迈克尔（M. H. Michael）、E. 维纳斯·博斯特罗姆（E. Viñas Boström）、X. 崔（X. Cui）、K. 托雷斯（K. Torres）、A. E. 科萨克（A. E. Kossak）、B. 李（B. Lee）、G. S. D. 比奇（G. S. D. Beach）、G. D. 顾（G. D. Gu）、A. 鲁比奥（A. Rubio）、P. 金（P. Kim）和N. 格迪克（N. Gedik）于2026年2月4日发表于《自然》期刊的论文《二维超导体中太赫兹超流体等离子体的成像》。DOI：10.1038/s41586-025-10082-2

该研究部分得到了美国能源部和戈登与贝蒂·摩尔基金会的资助。