О материале можно многое узнать по тому, как он взаимодействует со светом. Видимый свет показывает поверхность, рентген — внутреннюю структуру, инфракрасное излучение позволяет измерять тепло. Физики из Массачусетского технологического института научились использовать терагерцовый свет, чтобы наблюдать квантовые колебания в сверхпроводниках — режимы, которые раньше существовали лишь в теории.
Терагерцовый свет — это форма энергии, находящаяся между микроволнами и инфракрасным излучением в электромагнитном спектре. Он колеблется более триллиона раз в секунду — как раз с той частотой, которая соответствует естественным колебаниям атомов и электронов внутри материалов. Это делает терагерцовый свет идеальным инструментом для исследования таких движений. Но есть фундаментальная проблема: длина волны таких волн слишком велика — сотни микрон. А значит, обычный терагерцовый пучок невозможно сфокусировать до микроскопических размеров, и он просто «промахивается» мимо тонких образцов.
В статье, опубликованной в журнале Nature, команда MIT описала терагерцовый микроскоп нового типа, который обходит этот предел. В основе прибора — спинтронные излучатели: ультратонкие многослойные металлические структуры, которые под действием лазера генерируют резкие импульсы терагерцового света. Если поднести образец вплотную к такому источнику, волна не успевает «расползтись» в пространстве и оказывается сжатой до размеров намного меньше своей длины.
Такой подход позволил исследователям рассмотреть квантовую динамику в материале BSCCO — оксиде висмута, стронция, кальция и меди, одном из известных высокотемпературных сверхпроводников. При температурах, близких к абсолютному нулю, физики увидели, как сверхпроводящие электроны ведут себя как коллективная сверхтекучая среда и начинают синхронно колебаться на терагерцовых частотах.
По словам профессора физики MIT Нуха Гедика, это первый случай, когда подобный режим движения электронов удалось зафиксировать напрямую, а не косвенно через расчеты и модели. Фактически речь идет о визуализации внутренней динамики сверхпроводника в реальном пространстве.
Такие измерения важны не только для фундаментальной физики. Объяснение терагерцовых процессов может помочь в поиске сверхпроводников, работающих при более высоких температурах, а также в разработке материалов для будущих систем терагерцовой связи — потенциально более быстрых и емких, чем современные беспроводные технологии.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что физикам удалось добиться «нулевого трения» на крупных объектах.
