近日，德国拜罗伊特大学Georg Herink团队利用量子囚禁斯塔克效应将超快电子近场编码为胶体量子点发光，从而发明了一种量子探测场显微镜 (QFIM)（见图一）。它将可见光子的远场成像与电子波形的相位分辨采样相结合，通过捕捉超快电影，在时空上解决了领结天线内的太赫兹共振，并实现了太赫兹波导激发在亚波长范围内的传播。
所演示的量子探测场显微镜方法与强场激发和亚微米分辨率兼容，这为复杂纳米器件的超快场成像引入了直接途径。
图一：量子探测场显微镜：（a）利用量子点发光对太赫兹电子近场的荧光显微镜成像。（b）太赫兹诱导的量子点能带结构的变化可以增加吸收并转化为增强的荧光发射，可通过光学显微镜获得。
包括人类视觉在内的对辐射的检测通常对电磁波携带的能量敏感，而不是其场。赫兹通过将场转换为非相干的可见荧光，成功证明了电磁场的存在。今天，可以使用超短激光脉冲对电子波形进行相干采样，以直接获取凝聚态系统中电荷运动和准粒子激发的时间特征，甚至可见光谱。然而，由于材料的不均匀性、光激发的内在限制或微结构设计，相关的场分布通常局限于低于衍射极限的微观尺度。只有少数方法可以在空间上解析太赫兹频率的局部电子近场波形，其中包括光栅扫描光电导开关和电光显微镜。
散射近场光学显微镜、太赫兹驱动的扫描隧道显微镜和最近出现的超快电子显微镜提供了更高的分辨率。太赫兹诱导的可见光已被用于通过强局域场的时间累积效应对空间场分布进行成像。使用可见荧光在时域中对太赫兹电子波形进行采样显得非常可取。它具有许多前景，包括获取纳米尺度、3D 设备、高速采集以及与有源和非线性驱动设备内部强局域场的兼容性。
在这里，研究团队演示了使用荧光显微镜对太赫兹电子近场进行超快远场成像。 研究人员从局域量子点探针捕获可见光光子，并获得电子近场演化的频闪电影。该方案利用量子囚禁斯塔克效应，通过光吸收的变化将电子近场编码为远场发光调制，如图一所示。
在此基础上，研究者们展示了单个领结天线内近场波形的时间分辨显微镜 （见图二，图三）。这是超高频设备、超材料和强场光与物质相互作用实验的组成部分。此外，还观察了太赫兹在亚波长间隙内的传播（见图四），从而在时域中引入了对受限结构内电场的超快采样。
这些结果推动了量子探测场显微镜在表面激发的电子波形成像中的应用，包括体表面和二维异质结构上的太赫兹声子和等离子激元。 与基于纳米尖端的近场散射显微镜相比，该方案与强驱动场兼容，并对太赫兹驱动的非线性动力学提出了独特的见解，即极化波包之间的相互作用。量子探测场显微镜在纳米尺度上成像太赫兹场的前景，为非线性驱动纳米级系统内强电场的超快检查铺平了道路。
图二：谐振领结天线中太赫兹近场的演化：（a）太赫兹领结谐振器的光学显微图。（b）一系列选定延迟的后续微观快照。（c）量子探测场显微镜快照。（d）在共振间隙区模拟的空间近场分布。（e）在瞬态传输对比度中获得的快照证实了场驱动吸收调制是量子探测场显微镜信号的起源。
图三：领结天线内的 QFIM 信号和近场波形：（a）领结间隙中的局部 QFIM 信号（蓝色圆圈）和基于入射波形的建模时间发光演化（灰色）。（b）作为最大入射场强函数的峰值 QFIM 信号（圆圈）的缩放。（c）驱动远场波形（绿色）与领结间隙内的模拟局部近场（红色）的比较。（d）中显示的两种波形的对应频谱。
该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Ultrafast Imaging of Terahertz Electric Waveforms using Quantum Dots”，Moritz B. Heindl为论文的第一作者，Georg Herink为论文通讯作者。
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https://doi.org/10.1038/s41377-021-00693-5
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