Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) создали уникальный микроскоп, который впервые позволил наблюдать квантовые колебания сверхпроводящих электронов. Прибор работает на терагерцовом излучении — форме энергии, занимающей спектральную «золотую середину» между микроволнами и инфракрасным светом.
Частота колебаний терагерцового света идеально совпадает с естественными вибрациями атомов и электронов внутри материалов, что теоретически делает его идеальным зондом для изучения таких процессов. Однако долгое время этому препятствовало фундаментальное ограничение: длина волны терагерцового излучения составляет сотни микрометров, что физически не позволяло сфокусировать луч на микроскопических образцах.
Новая разработка команды MIT решает эту проблему. Микроскоп использует спиновые эмиттеры — многослойные наноструктуры, генерирующие сверхкороткие импульсы терагерцового света. Расположив исследуемый образец чрезвычайно близко к источнику излучения, ученые смогли «сжать» терагерцовый свет в пространстве, размеры которого меньше его длины волны. Это позволило обойти дифракционный предел и достичь беспрецедентного для терагерцового диапазона пространственного разрешения.
В качестве демонстрации возможностей прибора ученые исследовали образец высокотемпературного сверхпроводника на основе оксида висмута, стронция, кальция и меди (BSCCO), охлажденный до температур, близких к абсолютному нулю. С помощью микроскопа им удалось зафиксировать коллективные колебания «сверхтекучей» жидкости из сверхпроводящих электронов, колеблющихся с терагерцовой частотой. Это явление, предсказанное теоретически, было визуализировано впервые.
По словам ведущего автора исследования Александра фон Хёгена, новый инструмент открывает доступ к целому спектру фундаментальных явлений, таких как колебания кристаллической решетки и магнитные процессы, которые происходят именно в терагерцовом диапазоне. Практическое значение разработки многогранно. Она позволит глубже изучать природу сверхпроводимости, что может приблизить создание сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Кроме того, микроскоп поможет в поиске и тестировании материалов для будущих систем беспроводной связи терагерцового диапазона, которые потенциально смогут передавать данные на порядки быстрее, чем современные микроволновые технологии.