Исследователи из Массачусетского технологического института разработали технологию, позволяющую напрямую наблюдать квантовые колебания внутри сверхпроводящих материалов. Для этой цели ученые применили терагерцовое излучение, которое по своим характеристикам занимает промежуточное положение между микроволнами и инфракрасным светом. Частота таких импульсов составляет более триллиона циклов в секунду, что соответствует естественным ритмам движения атомов и электронов в твердых телах.
Основным препятствием для использования терагерцового света в микроскопии долгое время оставался дифракционный предел. Длина волны этого излучения составляет сотни микрон, что не позволяет фокусировать его на объектах меньшего размера. В результате попытки изучить микроскопические структуры приводили к получению размытых изображений, где сигнал от самого образца смешивался с фоновым шумом. Физикам удалось обойти это ограничение с помощью спинтронных излучателей – многослойных металлических пленок, которые при воздействии лазера генерируют сверхкороткие всплески энергии. Размещение образца в непосредственной близости от источника позволило зафиксировать свет до того, как он начнет рассеиваться.
В ходе эксперимента, результаты которого опубликованы в журнале Nature, ученые исследовали сложный оксид меди, висмута, стронция и кальция. Этот материал относится к классу высокотемпературных сверхпроводников. При охлаждении образца до температур, близких к абсолютному нулю, новый микроскоп зафиксировал коллективное движение электронов, напоминающее поведение сверхтекучей жидкости. Ранее существование подобных осцилляций было предсказано теоретически, однако экспериментально подтвердить их наличие не удавалось из-за недостаточной разрешающей способности приборов.
Результаты исследования имеют значение для понимания механизмов сверхпроводимости, что необходимо для поиска материалов, сохраняющих свои свойства при комнатной температуре. Помимо фундаментальной физики, разработка открывает новые возможности в сфере телекоммуникаций. Способность материалов излучать и принимать терагерцовые сигналы на микроскопическом уровне может стать основой для создания антенн и приемников следующего поколения. Подобные устройства способны обеспечить значительно более высокую скорость передачи данных по сравнению с современными беспроводными системами, работающими в микроволновом диапазоне.
Сейчас научная группа применяет созданный инструментарий для изучения других двухмерных материалов. Ученые рассчитывают, что возможность «зуммирования» квантовых фаз позволит детально исследовать магнитные процессы и колебания кристаллических решеток, которые определяют уникальные свойства перспективных соединений.
