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固态介质中的双能级系统缺陷（TLS）被认为是导致超导电路退相干的主要因素。然而，这些缺陷的确切成因——包括其原子级形貌特征、频率分布及偶极矩特性——目前仍缺乏深入研究。造成这种认知局限的关键原因在于：现有探测手段需依赖经过复杂多级加工工艺制备的谐振器或量子比特器件，这些探针需封装并在稀释制冷机冷却后，通过测量相干时间间接推断TLS特性。但即便是频率可调的探测器件，亦仅能获取其模体积范围内且共振频率附近窄带宽的缺陷信息。这导致研究者难以从原子层面理解孤立材料与界面中TLS缺陷的本质特征，从而阻碍了基于第一性原理设计新一代超导器件与介电材料的进程。本研究提出一种创新性解决方案：采用宽带三维波导结构实现TLS缺陷集合的低温介电响应探测。该技术揭示了TLS缺陷动力学中存在的记忆效应，为提取底层缺陷起源及相互作用的关键信息提供了可能。值得注意的是，这种新型光谱技术可应用于全制造流程，最终将指导制定降低TLS缺陷影响的优化策略。该工作将推动对TLS缺陷原子级起源的全新认知，对量子信息科学及更广义的材料科学领域产生深远影响。