Terahercni mikroskop za supravodljive elektrone

Mnogo toga možete reći o materijalu na temelju vrste svjetla kojim ga usmjeravate: optička svjetlost osvjetljava površinu materijala, dok rendgenske zrake otkrivaju njegove unutarnje strukture, a infracrveno zračenje hvata toplinu koju materijal zrači.

Fizičari s MIT-a sada su koristili terahercnu svjetlost kako bi otkrili inherentne, kvantne vibracije u supravodljivom materijalu, koje do sada nisu bile uočljive.

Terahercna svjetlost je oblik energije koji se nalazi između mikrovalova i infracrvenog zračenja na elektromagnetskom spektru. Oscilira više od bilijun puta u sekundi - taman pravim tempom koji odgovara načinu na koji atomi i elektroni prirodno vibriraju unutar materijala. Idealno, to čini terahercnu svjetlost savršenim alatom za ispitivanje tih gibanja.

No iako je frekvencija točna, valna duljina - udaljenost na kojoj se val ponavlja u prostoru - nije. Terahercni valovi imaju valne duljine duge stotine mikrona. Budući da je najmanja točka u koju se bilo koja vrsta svjetlosti može fokusirati ograničena svojom valnom duljinom, terahercne zrake ne mogu biti čvrsto ograničene. Kao rezultat toga, fokusirana terahercna zraka fizički je prevelika da bi učinkovito interagirala s mikroskopskim uzorcima, jednostavno prelazeći preko tih sićušnih struktura bez otkrivanja finih detalja.

U radu objavljenom u časopisu Nature, znanstvenici izvještavaju da su razvili novi terahercni mikroskop koji komprimira terahercnu svjetlost na mikroskopske dimenzije. Ova precizna točka terahercne svjetlosti može razlučiti kvantne detalje u materijalima koji su prije bili nedostupni.

Tim je koristio novi mikroskop za slanje terahercne svjetlosti u uzorak bizmuta, stroncija, kalcijevog bakrovog oksida ili BSCCO-a, materijala koji je supravodljiv na relativno visokim temperaturama. Pomoću terahercnog mikroskopa, tim je promatrao "superfluid" supravodljivih elektrona bez trenja koji su se kolektivno kretali naprijed-natrag na terahercnim frekvencijama unutar BSCCO materijala.

Novi mikroskop također može pomoći u identifikaciji materijala koji emitiraju i primaju terahercno zračenje. Takvi materijali mogli bi biti temelj buduće bežične komunikacije temeljene na terahercima, koja bi potencijalno mogla prenositi više podataka bržim brzinama u usporedbi s današnjom komunikacijom temeljenom na mikrovalovima.

Terahercno svjetlo je obećavajući, ali uglavnom neiskorišten alat za snimanje. Zauzima jedinstvenu spektralnu "idealnu točku": Poput mikrovalova, radiovalova i vidljive svjetlosti, terahercno zračenje je neionizirajuće i stoga ne nosi dovoljno energije da bi izazvalo štetne učinke zračenja, što ga čini sigurnim za upotrebu kod ljudi i bioloških tkiva. Istovremeno, slično kao i rendgenske zrake, terahercni valovi mogu prodrijeti kroz širok raspon materijala, uključujući tkaninu, drvo, karton, plastiku, keramiku, pa čak i tanke zidove od opeke.

Tim je pronašao način da zaobiđe granicu terahercne difrakcije korištenjem spintronskih emitera - novije tehnologije koja proizvodi oštre impulse terahercne svjetlosti. Spintronski emiteri izrađeni su od više ultratankih metalnih slojeva. Kada laser osvijetli višeslojnu strukturu, svjetlost pokreće kaskadu efekata u elektronima unutar svakog sloja, tako da struktura u konačnici emitira impuls energije na terahercnim frekvencijama.

Držeći uzorak blizu emitera, tim je uhvatio terahercnu svjetlost prije nego što se imala priliku proširiti, u biti je istiskujući u prostor mnogo manji od njezine valne duljine. U ovom režimu svjetlost može zaobići granicu difrakcije kako bi razlučila značajke koje su prije bile premale za vidjeti.

MIT-ov tim prilagodio je ovu tehnologiju za promatranje mikroskopskih fenomena na kvantnoj skali. Za svoju novu studiju, tim je razvio terahercni mikroskop koji koristi spintronske emitere povezane s Braggovim zrcalom. Ova višeslojna struktura reflektirajućih filmova sukcesivno filtrira određene, neželjene valne duljine svjetlosti, dok propušta druge, štiteći uzorak od „štetnog“ lasera koji pokreće terahercnu emisiju.

Kao demonstraciju, tim je koristio novi mikroskop za snimanje malog, atomski tankog uzorka BSCCO-a. Uzorak su postavili vrlo blizu terahercnog izvora i snimali ga na temperaturama bliskim apsolutnoj nuli - dovoljno niskim da materijal postane supravodič. Kako bi stvorili sliku, skenirali su lasersku zraku, šaljući terahercnu svjetlost kroz uzorak i tražeći specifične potpise koje su ostavili supravodljivi elektroni.

Daljnjom analizom, tim je zaključio da terahercni mikroskop promatra prirodne, kolektivne terahercne oscilacije supravodljivih elektrona unutar materijala.

Ova treperava superfluidna tekućina bila je očekivana, ali do sada nikada nije izravno vizualizirana. Tim sada primjenjuje mikroskop na druge dvodimenzionalne materijale, gdje se nadaju uhvatiti više terahercnih fenomena.