来源：约瑟夫• E• 哈蒙（Joseph E. Harmon），美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）；太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

    科学家们正在竞相开发超精确测量领域计算和传感量子技术的新材料。为了使这些未来技术实现从实验室到现实世界应用的过渡，对其材料表面附近的行为需要更加深入地了解，尤其是材料彼此界面间的表现。

    美国能源部阿贡国家实验室的科学家们公布了一项新技术，可以帮助推进量子技术的发展。其自旋电子太赫兹光谱（SSTS）不仅创新，又对材料表面十分敏感，为量子材料界面间表现的研究提供了前所未有的新视角。

    这项工作已发表在《科学进展》（Science Advances)杂志上。

    “这项技术使我们能够研究表面声子——材料表面或材料之间界面上原子的集体振动，”阿贡国家实验室的博士后研究员、该研究的第一作者朱肇东（Zhaodong Chu音译）解释到，“我们的发现揭示了表面声子与块体材料中声子之间的显著差异，这为研究和应用开辟了新的途径。”

    在晶体等材料中，原子形成称为晶格的重复图案，晶格可以在被称为声子的波中振动。虽然人们对块体材料中的声子有很多了解，但对表面声子知之甚少，这些声子出现在界面纳米范围内。该团队的研究表明，表面声子的行为不同，从而实现了独特的量子行为，如界面超导性。

    超导是电子无阻流动的现象，在MRI机器和粒子加速器等技术中有应用。界面超导性——一种只出现在两种材料之间边界的类型——为新的量子技术带来了希望。

    阿贡国家实验室物理学家阿南德•巴塔查里亚（Anand Bhattacharya）补充到，“这一研究想法始于几年前的一项发现，即两种晶体材料之间的界面可以表现出超导行为，而这两种材料本身都没有表现任何超导性。”

    阿贡国家实验室物理学家文海旦（Haidan Wen音译）补充道：“只有当两种材料结合在一起时，超导魔法才会发生在界面上，这与块体不同。”

    相信晶体中的一种特定类型的振动——称为TO1声子——会触发这种界面超导性，研究小组着手寻找其作用的直接证据。

    文教授解释说，这其中主要有两个挑战。首先，界面是埋在样品之中，厚度仅有几纳米，因此很难使用传统方法进行研究。其次，该团队需要处理太赫兹辐射。这发生在比5G电话网络高一千倍的频率范围内。虽然许多重要的量子效应发生在太赫兹范围内，但很难以高分辨率来捕获它们。

    研究人员在氧化物晶体上沉积薄磁膜制成的样品上使用了SSTS方法。在这种方法中，超快激光脉冲穿过氧化物晶体并撞击薄磁性层。激光和物质之间发生相互作用，然后在氧化物界面产生太赫兹振动。

    通过使用这种技术，该团队检测到了TO1声子。他们还表示，界面5纳米内的声子行为与块体不同。表面声子就像湖泊浅水区的波浪——它们的行为与深水区的不同。

    “我们的界面敏感技术可以应用于广泛的材料，用于探测难以捉摸的量子行为，包括磁性和超导性，”阿贡国家实验室杰出研究员兼阿贡量子研究所所长迈克尔•诺曼（Michael Norman）表示，“我们现在有了一个了解量子材料的新窗口，可以为未来技术的新型量子器件指明方向。”

    巴塔查里亚补充到：“太赫兹光与物质相互作用不仅可以像我们的研究那样以新的方式去探测量子材料，还可以诱导全新的物质状态。这是未来研究的一条令人难以置信并激动人心的新途径。”

    除了上述引用的作者外，阿贡国家实验室的作者还包括杨君毅（Junyi Yang音译）、阎力（Yan Li音译）、文建国（Jianguo Wen音译）、阿什利•别林斯基(Ashley Bielinski)、张齐（Qi Zhang音译）、亚历克斯•马丁森（Alex Martinson）、斯蒂芬•赫鲁什克维奇（Stephan Hruszkewycz）和冯狄龙（Dillon Fong）。华盛顿大学的徐晓东（Xiaodong Xu音译）和凯尔• 洪波（Kyle Hwangbo）也做出了贡献。

    更多信息请参见论文: Zhaodong Chu（朱肇东）（音译）等人，“利用表面灵敏自旋电子太赫兹光谱揭示量子顺电体中的亚太赫兹原子振动，《科学进展》（Science Advances）（2024）. DOI: 10.1126/sciadv.ads8601