Прорив MIT: терагерцовий мікроскоп показав приховані коливання у надпровіднику BSCCO

Що відбувається з матеріалом, коли його освітити “правильним” світлом? Видиме підкреслює поверхню, рентген – внутрішню будову, інфрачервоне – тепло. Тепер до цієї низки додалося терагерцове світло, яке вперше дало змогу зазирнути в колективні квантові рухи надпровідних електронів. Дослідники MIT створили інструмент, який стискає терагерцеві хвилі до мікророзмірів і відкриває те, що раніше залишалося поза фокусом.

До чого все йшло: межа дифракції та нереалізований потенціал

Раніше терагерцове випромінювання вважали перспективним для безпечного скринінгу, діагностики та зв’язку, адже це неіонізуюче випромінювання, здатне проникати крізь різні матеріали. Проте у мікроскопії воно впиралося у фундаментальну межу дифракції. Довжина хвилі терагерців – це сотні мікронів, тож сфокусувати промінь на об’єкті розміром у кілька-десятків мікронів було практично неможливо: сигнал “розмазувався” і збирав переважно повітря довкола зразка. Водночас терагерцова частота – понад трильйон коливань за секунду – ідеально збігається з природними рухами атомів та електронів у конденсованій матерії. Саме цей дисонанс між “ідеальною частотою” та “надто довгою хвилею” роками не дозволяв побачити на мікрорівні те, що терагерци мали б показувати найкраще.

Ключова подія: MIT стискає терагерци до мікромасштабів і бачить «суперфлюїд»

Команда науковців MIT побудувала нову терагерцову мікроскопію на базі спінтронних емітерів, що генерують різкі терагерцові імпульси у багатошарових надтонких металевих структурах. Розміщуючи зразок майже впритул до джерела, дослідники вловлюють поле до того, як воно встигне розповзтися, фактично “стискаючи” його в області, значно меншій за довжину хвилі. Додатково система інтегрована з дзеркалом Брега, яке захищає зразок, відсікаючи небажані компоненти лазерного накачування та пропускаючи лише потрібні частоти.

Як демонстрацію, вчені “просвітили” атомарно тонкий надпровідник BSCCO (вісмут-стронцій-кальцій-мідний оксид), охолоджений до температур поблизу абсолютного нуля. Скануючи зразок лазером і фіксуючи відгук, вони побачили характерні спотворення терагерцового поля – наслідок того, що матеріал сам починає випромінювати після початкового імпульсу. Аналіз показав: це колективні терагерцові коливання електронів у надпровідному стані – своєрідне “тремтіння” надпровідного суперфлюїду, яке раніше напряму не спостерігали.

Терагерцове випромінювання безпечне для біологічних тканин і водночас проходить крізь тканини, дерево, картон, пластик, кераміку та навіть тонкі цегляні стіни. Його довжина хвилі – сотні мікронів, а частота – понад трильйон коливань за секунду.

До роботи долучилися Нух Гедік, Александер фон Гьоген, Томмі Тай, Кліффорд Аллінгтон, Меттью Йонг, Джейкоб Петтін, Александер Косак, Бюнґхун Лі та Джеффрі Біч з MIT, а також колеги з Гарвардського університету, Інституту Макса Планка з структури та динаміки матерії, Інституту Макса Планка з фізики складних систем і Національної лабораторії Брукгейвен.

Як відреагували: очікування фізиків та інженерів зв’язку

У науковій спільноті розробку одразу сприйняли як ключ до тонких квантових режимів у високотемпературних надпровідниках. Дослідники MIT наголошують: новий інструмент дає змогу впритул підійти до питань механізмів надпровідності та їх динаміки на власних терагерцових часових масштабах. Інженери бездротових технологій, своєю чергою, звернули увагу на прикладний вимір: можливість досліджувати мікроскопічні антени й приймачі для майбутнього терагерцового зв’язку, який потенційно передаватиме більше даних і швидше, ніж системи на мікрохвилях.

Що змінилося: нові можливості мікроскопії та матеріалознавства

Відтепер терагерцова мікроскопія стає інструментом для прямого спостереження квантових збуджень у складних матеріалах – там, де раніше бракувало просторової роздільної здатності. Перший результат – фіксація колективних терагерцових режимів у BSCCO – відкриває шлях до систематичних досліджень надпровідників і двовимірних систем.

• Вперше безпосередньо візуалізовано терагерцові колективні коливання електронного суперфлюїду у надпровіднику BSCCO, охолодженому до температур поблизу абсолютного нуля.
• Продемонстровано стиснення терагерцового світла до мікророзмірів у близькопольовому режимі за допомогою спінтронних емітерів та дзеркала Брега, що долає обмеження межі дифракції.
• Створено платформу для тестування матеріалів і мікропристроїв, здатних випромінювати чи приймати терагерци, – потенційних компонентів бездротових систем наступного покоління.

Що далі: від квантових режимів до технологій зв’язку

Надалі команда спрямовує мікроскоп на інші двовимірні матеріали, щоб резонансно “підхоплювати” ґраткові вібрації, магнітні процеси та інші колективні моди на терагерцових частотах. Такий підхід може уточнити ключові параметри, що наблизять пошук кімнатно-температурної надпровідності. Паралельно очікується прогрес у проектуванні приймачів і антен для терагерцового зв’язку з більшими швидкостями передачі даних. Дослідження частково профінансоване Міністерством енергетики США та Фондом Гордона і Бетті Мур – це дає підстави сподіватися на швидку перевірку наступних гіпотез і масштабування результатів.