摘要：使用一种新型的表面敏感光谱法，科学家探索了界面附近晶体材料表面的原子振动。这些发现照亮了起着重要角色计算和传感技术的量子行为。...

科学家正在竞争为超脑测量的计算和感测量子技术开发新材料。对于这些未来的技术，要从实验室过渡到现实世界的应用，需要对表面附近的行为，尤其是材料之间界面的行为有更深入的了解。

美国能源部（DOE）Argonne National Laboratory的科学家推出了一种新技术，可以帮助推进量子技术的开发。它们的创新，表面敏感的旋转terahertz光谱（SSTS），对量子材料在接口处的表现方式提供了前所未有的观察。

Argonne的博士后研究员Zhaodong Chu说：“这项技术使我们能够研究表面声子 - 材料表面上原子的集体振动或材料之间的界面。” ？“我们的发现表明，表面声子与散装材料中的声音之间存在明显的差异，为研究和应用开辟了新的途径。”

在诸如晶体之类的材料中，原子形成了称为晶格的重复模式，可以在称为声子的波中振动。虽然对散装材料中的声子有很多了解，但对表面声子的了解鲜为人知 - 那些发生在界面的纳米中的声子。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，例如界面超导性。

超导性是不抵抗的电子现象，在MRI机器和粒子加速器等技术中都有应用。界面超导性（这种类型仅出现在两种材料之间的边界上）对新的量子技术有望。

Argonne物理学家Anand Bhattacharya说：“这一发现的想法始于几年前的发现，即两种结晶材料之间的界面可以表现出超导行为，这并不是一个人自己表现出来。”

“只有当两种材料在一起时，超导性魔术才会在界面上发生，这与散装不同。” Argonne物理学家Haidan Wen补充了。

认为晶体中的一种特定类型的振动（称为TO1声子）触发了这种界面超导性，该团队着手寻找其作用的直接证据。

温解释说，有两个主要挑战。首先，将界面埋在样品中，只有几纳米厚，因此很难使用常规方法研究。其次，团队需要与Terahertz辐射一起工作。这发生在频率范围比5G电话网络高1000倍的范围内。在此Terahertz范围内发生了许多重要的量子效应，但是很难以高分辨率捕获它们。

研究人员通过将薄磁性膜沉积在氧化物晶体上而制成的样品中使用了他们的SST方法。在这种方法中，超快激光脉冲穿过氧化物晶体并击中薄磁层。然后，激光光和物质之间的相互作用在氧化物界面上产生Terahertz振动。

通过使用此技术，团队检测到TO1声子。他们还表明，在界面的5纳米内，声子的行为与大体不同。表面声子就像湖泊浅端的波浪一样 - 它们的行为与较深的水域的行为不同。

Argonne杰出研究员兼主任迈克尔·诺曼（Michael Norman）表示：“我们的界面敏感技术可以应用于广泛的材料，以探测难以捉摸的量子行为，包括磁性和超导性。” “我们现在有了一个新的窗口，可以将量子材料指向新的量子设备的未来技术。”

Bhattacharya补充说：“ Terahertz的光与物质相互作用不仅可以像我们的研究一样以新的方式探测量子材料，而且还引起了全新的物质状态。这是一个令人兴奋的未来研究的令人兴奋的途径。”

这项研究发表在科学进步。除上述引用外，Argonne的作者还包括Junyi Yang，Yan Li，Jianguo Wen，Ashley Bielinski，Qi Zhang，Alex Martinson，Stephan Hruszkewycz和Dillon Fong。华盛顿大学的Xiodong Xu和Kyle Hwangbo也有贡献。

该研究的资金来自美国能源部基础能源科学办公室。样品的特征是材料科学部的Terahertz发射光谱，以及通过科学用户设施办公室的Argonne纳米级材料中心的电子显微镜。