在入射电磁驱动场的作用下，超快隧穿电流在尖锐尖端的前沿原子和样品之间流动。这种原子约束的电流导致光的发射，携带有关量子过程内部工作的信息。图片来源：布拉德·巴克斯利

在1880年代，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）发现，在两块金属之间跳跃的火花会发出闪光，即快速振荡的电磁波，可以被天线拾取。为了纪念他的开创性工作，频率单位于 1930 年被命名为“赫兹”。赫兹的发现后来被古列尔莫·马可尼（1909年诺贝尔物理学奖获得者）用于远距离传输信息，创造了无线电通信并彻底改变了无线电报，塑造了现代世界，直到今天。

来自雷根斯堡大学物理系和雷根斯堡超快纳米镜中心（RUN）的科学家现在已经能够直接观察赫兹火花在两个原子之间跳跃的量子版本，方法是测量它发出的光的示波图，其时间精度比光波的单个振荡周期更快。

这种新信号能够实现一个长期追求的目标：全光学显微镜中的原子空间分辨率。作为与量子世界前所未有的通信渠道，该信号对于超快量子技术的发展至关重要，因为它为单个原子的长度尺度和时间尺度上发生的过程提供了新的见解，速度超过万亿分之一秒。

物理学家团队使用原子锋利的尖端将光线聚焦到尖端顶点和称为近场区域的样品表面之间的微小间隙中 - 这一次，间隙以亚原子精度保持在几个原子宽。

在经典物理学中，电子被想象为微小的带电粒子，电子无法穿透这个间隙。然而，原子尖端与样本的接近揭示了量子力学中粒子的第二种性质：它们的波状行为。大部分电子波将位于尖端，但一小部分也将位于样品内部的间隙中，就好像一个人同时站在门的两侧一样。

这种违反直觉的量子波粒二象性表现为通过微小间隙的电子隧穿的实验可测量电流。然而，现在这个过程通过使用光波来驱动，这是物理学家可以控制的最快的交变电场。光的振荡电场在尖端的前沿原子和样品之间来回冲洗隧穿电子，从而驱动了赫兹火花的量子版本。

“在光的振荡周期中检测少量电子的赫兹发射起初听起来像是不可能完成的任务，”第一作者Tom Siday说。“想象一下，当我们发现一个强烈的信号时，我们会感到惊讶——这一切都要归功于作为天线的超稳定尖端，从原子尺度发射这种波。

作者将这项新技术命名为“近场光学隧道发射”（NOTE）显微镜。这些发现为以慢动作直接观察物质波在原子长度尺度上滚动打开了大门。研究结果发表在《自然》杂志上。

这一突破性发现得益于独特的超快光学显微镜，该显微镜将最先进的扫描探针显微镜的极端空间分辨率与全光学“光输入、光输出”信号测量相结合。

“电子学非常灵敏，但速度太慢，无法直接跟踪光波驱动的量子火花中的电流振荡，因此人们必须观察发射光本身的振荡，”资深作者Rupert Huber解释说。

“当我们观察到入射和出射的光波在时间上偏移了振荡周期的四分之一时，NOTE就诞生了——在我们的实验中，只有四分之一万亿分之一秒！我们必须确保我们的整个光学装置足够稳定，以检测这种微小的偏移，并且我们可以绝对控制振荡光场，“主要作者之一Johannes Hayes继续说道。

“天线尖端必须保持在同一原子的顶部，即使在强大的激光脉冲的强烈聚焦的中心——所有这些都在不到人类头发直径万分之一的距离内。只有最稳定的实验条件才足够好，“另一位主要作者Felix Schiegl总结道。

破译这种量子电报信号仍然具有挑战性。仅仅考虑量子火花在两个原子之间跳跃是不够的，因为动力学受到周围环境的极大影响。从第一性原理模拟惊人的 10 的量子响应10Jan Wilhelm 使用超级计算机重现了 NOTE 信号的标志性时移，并首次了解了光波驱动的电子量子流和原子轨道的畸变。

NOTE已经能够发现新的物理特性。“电子从尖端穿过样品然后返回几乎是假设的 - 对电子设备来说是不可见的，但对NOTE来说却不是，”通讯作者Yaroslav Gerasimenko解释说。

“他们只需要停留在尖端下方，直到光场改变方向才能返回。通过观察原子薄的绝缘体（一种抵抗电子扩散的材料），物理学家首次瞥见了这些超快物质电流，现在可以研究电子和光伏中无处不在的绝缘层中以前隐藏的原子级动力学。

这些新结果为光学显微镜带来了突破性的进步，使其同时达到了极限长度和时间尺度。对超快隧穿电流的直接观察可以使人们对量子材料和量子平台中的电子动力学有前所未有的理解，用于计算和数据存储。

注意：此外，为原子尺度强场动力学（如光波电子学）打开了大门。这种与量子世界的通信通道的发现，就像赫兹在100多年前的发现一样，可能会引发一场信息传输的革命。此外，它可能是理解塑造未来设备的微观动力学的关键。

更多信息：Thomas Siday等人，原子长度尺度上的全光学子周期显微镜。自然 （2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07355-7.www.nature.com/articles/s41586-024-07355-7

研究简报：自然（2024 年）。DOI： 10.1038/d41586-024-01294-z

期刊信息： Nature