物理学家用光实现原子级电报

20世纪80年代，海因里希·赫兹(HeinrichHertz)发现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，可以被天线接收到。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(GuglielmoMarconi)(1909年诺贝尔物理学奖)用来长距离传输信息，从而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显微镜中心(RUN)的科学家现在已经能够通过测量赫兹在时间上发出的光的示波图来直接观察两个原子之间的赫兹火花跳跃的量子版本。精度比光波的单个振荡周期更快。

这个新信号实现了长期追求的目标：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通道，该信号对于超快量子技术的发展至关重要，因为它为单原子长度尺度和快于万亿分之一秒的时间尺度上发生的过程提供了新的见解。

物理学家团队使用原子级锋利的尖端将光线聚焦到尖端顶点和样品表面(称为近场区域)之间的微小间隙中，这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，原子尖端与样品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。大部分电子波将出现在尖端，但一小部分电子波也会驻留在样品内部的间隙中，就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体现在通过实验可测量的电子穿过微小间隙的电流中。然而现在，这个过程通过使用光波来极其快速地驱动，光波是物理学家可以控制的最快的交变电场。光的振荡电场使隧道电子在尖端的前沿原子和样品之间来回流动，从而驱动赫兹火花的量子版本。

“检测光的每个振荡周期中少数电子的赫兹发射起初听起来像是不可能完成的任务，”第一作者汤姆·西戴说。“想象一下，当我们发现一个强信号时，我们感到多么惊讶——这一切都要归功于超稳定的尖端充当天线，从原子尺度传输这种波。”

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

这一突破性的发现通过独特的超快光学显微镜成为可能，该显微镜将最先进的扫描探针显微镜的极高空间分辨率与全光学“光进、光出”信号测量相结合。

“电子学非常敏感，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内部，”资深作者鲁珀特·胡贝尔(RupertHuber)解释道。

“当我们观察到传入和传出的光波在时间上移动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检测到这种微小的变化，我们就可以绝对控制振荡光场，”主要作者之一约翰内斯·海耶斯继续说道。

“天线尖端必须保持在同一个原子的顶部，即使是在强大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的万分之一的距离内。只有最稳定的实验条件已经足够好了，”另一位主要作者FelixSchiegl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其间跳跃的两个原子是不够的，因为动力学很大程度上受到周围环境的影响。为了从基本原理模拟1010个原子的量子响应，JanWilhelm使用超级计算机重现了NOT信号的特征时移，并首次深入了解光波驱动的电子量子流和原子轨道的扭曲。

注意已经能够发现新的物理现象。“电子从尖端穿过样品然后返回几乎是假设的——电子设备看不到，但注意不到，”通讯作者雅罗斯拉夫·格拉西门科(YaroslavGerasimenko)解释道。

“它们只需要停留在尖端下方，直到光场改变方向就能够返回。”通过观察原子级薄绝缘体(一种抵抗电子扩散的材料)，物理学家第一次看到了这些超快物质电流，现在可以研究电子和光伏中普遍存在的绝缘层中以前隐藏的原子级动力学。

这些新结果代表了光学显微镜的突破性进步，同时将其达到了极限的长度和时间尺度。直接观察超快隧道电流可以使我们对量子材料以及用于计算和数据存储的量子平台中的电子动力学有了前所未有的了解。

注意还为原子级强场动力学(例如光波电子学)打开了大门。就像100多年前赫兹的发现一样，这种与量子世界的通信通道的发现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。

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