科技日報北京2月5日電（記者張佳欣）據《自然》雜誌4日報導，美國麻省理工學院研究團隊開發出一種新型太赫茲顯微鏡，突破太赫茲光繞射極限，首次將太赫茲光聚焦到微觀尺度，實現對超導材料中微觀量子振動的直接觀測。這一突破使科學家得以觀測到隱藏數十年的電子行為，為研究高溫超導機制及未來太赫茲通信器件提供了新工具。
太赫茲輻射位於微波與紅外之間，其振盪頻率可達每秒萬億次，與資料中原子和電子的自然振動頻率相匹配，囙此被認為是研究量子動力學過程的理想“探針”。然而，太赫茲光的波長通常達數百微米，遠大於多數微觀結構尺寸，導致難以對微尺度樣品進行高精度成像。
研究團隊通過引入自旋電子發射器突破了這一瓶頸。這種由多層超薄金屬構成的裝置在雷射激發下可產生尖銳的太赫茲脈衝。研究人員將樣品緊貼發射器，使太赫茲光在擴散前被局域化，形成“針尖”般的光束，從而能够觀察此前無法獲取的微觀量子細節。
在實驗中，團隊將新型太赫茲顯微鏡應用於鉍鍶鈣銅氧化物這一相對高溫的超導材料。在接近絕對零度的條件下，他們觀察到超導電子形成的無摩擦“超流體”，以太赫茲頻率集體來回振盪，就像“凝膠”在微觀尺度上的晃動。這種振動模式此前僅存在理論預測中，幾十年來一直未被直接觀測到。
該顯微鏡有望幫助科學家更深入理解超導材料的關鍵性質，推動室溫超導研究。同時，該科技也可用於篩選能够發射和接收太赫茲輻射的資料，為未來太赫茲頻段無線通訊奠定基礎。與當前基於微波的通信技術相比，太赫茲通信有潜力實現更高的資料傳輸速率。
太赫茲輻射屬於非電離輻射，對生物組織安全，同時具有一定穿透能力，可穿過織物、塑膠和陶瓷等資料，囙此近年來在安檢成像、醫學成像和通信領域受到關注。研究團隊指出，新型顯微鏡未來還可用於研究二維資料中的晶格振動、磁激發等多種發生在太赫茲頻段的集體現象。