Пробив във физиката: Нов терахерцов микроскоп позволи да се наблюдава движението на свръхпроводящите електрони

Терахерцовото излъчването напълно съответства на естествените вибрации на атомите и електроните в материалите. Въпреки това, поради голямата си дължина на вълната, терахерцовите лъчи не могат да бъдат фокусирани в малка точка. Досега това ограничаваше използването им в микроскопията. Физици от САЩ са успели да заобиколят дифракционното ограничение – те са разработили нов микроскоп, който може да компресира THz лъчението до микроскопични размери. Те са го използвали, за да наблюдават за първи път квантовите флуктуации в свръхпроводящи материали.

От една страна, THz лъчението заема уникална позиция в спектъра: то не предизвиква вредни ефекти от излъчването и може да прониква през широк спектър от материали, включително тъкани, дърво, картон, пластмаса, керамика и дори тънки тухлени стени. От друга страна, съществува дифракционна граница, която ограничава разделителната способност на микроскопа до дължината на вълната. А терахерцовите дължини на вълните са много по-дълги от тези на атомите, молекулите и другите микроскопични структури.

Изследователи от Масачузетския технологичен институт съобщават за разработването на нов терахерцов микроскоп, който компресира Tgz лъчението до микроскопични размери и дава възможност да се разгледат квантови детайли в материали, които досега са били недостъпни за изследване, пише MIT News.

Да заобиколят дифракционния предел, на физиците помогнаха спинотронните излъчватели – многослойни метални структури, които при облъчване с лазер излъчват кратки импулси от терахерцова светлина. Като поставили пробата много близо до излъчвателя, учените успели да „заключат“ светлината, преди тя да се разсее, като ефективно я компресират в пространство, много по-малко от дължината на вълната. Това им даде възможност да постигнат безпрецедентна пространствена разделителна способност.

Като демонстрация учените са изследвали тънък образец от високотемпературния свръхпроводник BSCCO (бисмут-стронций-калций-меден оксид). При температури, близки до абсолютната нула, този материал преминава в свръхпроводимо състояние. С помощта на новия микроскоп екипът наблюдава как колективното „свръхфлуидно“ движение на свръхпроводящите електрони в материала осцилира при терахерцови честоти.

„Новият микроскоп ни дава възможност да наблюдаваме един нов режим на свръхпроводимите електрони, който никой не е виждал досега“,

казва Нух Гедик, един от изследователите.

Откритието има важно значение за търсенето на високотемпературни свръхпроводници, тъй като терахерцовото излъчване позволява изучаването на ключови свойства на материалите. Технологията може също така да ускори развитието на терахерцовите комуникации – обещаваща област за свръхбърз безжичен пренос на данни. В областта на фундаменталната физика микроскопът открива пътя към изучаването на много квантови явления, като например вибрациите на кристалната решетка и магнитните процеси, които протичат при THz честоти.

Разбирането на тези механизми е „свещеният граал“ на съвременната материалознание. Ако физиците успеят да манипулират тези процеси, създаването на материали със свръхпроводимост при стайна температура може да се превърне от теоретична мечта в инженерна реалност.