来源：巴斯蒂安•施密特，德国雷根斯堡大学(Universität Regensburg)；太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

    想象一下，站在湖边，把一块石头扔进水里。波浪以圆形模式传播，并可以在障碍物和边界处反射。德国雷根斯堡大学的研究人员与来自米兰和比萨的同事携手合作，在一个迷人的微型世界中重现了这一日常现象：他们使用纳米级上最快的一种慢动作相机，观察了波的传播——不是在水上，而是在“电子海”中。其研究结果发表在了《纳米快报》（Nano Letters）上。

    这种“电子海”通常存在于金属或具有金属特性的材料表面上。在他们的实验中，所使用的材料是石墨烯——一种由单层碳原子组成的所谓二维材料，而且石头的材质。科学家们使用激光脉冲，并将其聚焦在材料表面上方的锋利金属尖端上。

    雷根斯堡大学实验与应用物理研究所的西蒙•安格尔胡贝尔（Simon Anglhuber）解释说：“光使尖端中的电子产生运动。”由此所产生的振荡对石墨烯中的电子施加了一种力量。

    这会产生一个圆形电子密度波，通过尖端下方的石墨烯传播。波可以从样品的边缘反射并传播回尖端。然后，通过颠倒之前的过程将电子波转换回光，这些反射都可以用光学的方法来进行测量。将尖端精确地在样品上移动，研究人员可以精准拍摄并显示波随时间在不同位置的振荡。

    波运动的高精度分析

    这项新技术允许直接观察电子波在空间与时间上的传播。通过纳米级的分辨率（与现代半导体技术相关）以及飞秒级的时间分辨率完全可以实现。在时间分辨率方面，该方法可以与帧速率超过每秒10万亿帧的超快慢动作相机相提并论。

    其结果就是实现了对波运动高度精确的分析，包括其速度、阻尼和频率，而不需要复杂的计算变换。值得注意的是，研究人员观察到波的质心传播与单个波峰和波谷的传播之间存在区别。通过精确测量这两个速度，可以推断出波传播所通过的材料性质。

    在他们的实验中，研究人员比较了通过不同方法制备的石墨烯样品，发现波传播存在显著差异，这与样品的质量变化有关。这些发现期望有助于开发应用于光电设备（如高灵敏度光传感器）的更好样品。

    同样值得一提的是，该方法也适用于所谓的太赫兹和中红外范围内的重度阻尼电子波，这是我们的5G网络和可见光之间的光谱区域，到目前为止相关的研究还举步维艰。

    表面波的超快控制

    作为最后一步，研究人员使用另一个激光脉冲在电子波传播时故意扰动石墨烯样品中的电子海。通过加入第二个激光脉冲，他们能够选择性地减弱该波。这不仅可以对波进行观察，还可以深入了解静态形式的材料，进而实现对材料特性的控制与超快改变。

    这种对电子密度波的直接控制，很可能是研发时钟速度快于当前电子产品一千倍以上新型电子元件的关键一步。

    更多信息请查阅：西蒙•安格尔胡贝尔等人，石墨烯中太赫兹表面等离子体极性的群和相速度的时空成像，《纳米快报》（Nano Letters )（2025）。

    DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c04615