Физики из Массачусетского технологического института (MIT) впервые использовали терагерцовое излучение для наблюдения квантовых вибраций в сверхпроводящем материале.
Новый инструмент для изучения материалов
С помощью терагерцового микроскопа учёные смогли увидеть движение электронов в сверхпроводнике — материале, который проводит электричество без сопротивления при низких температурах.
Терагерцовое излучение — это форма энергии, которая находится между микроволновым и инфракрасным излучением в электромагнитном спектре. Оно колеблется более триллиона раз в секунду — именно такой темп соответствует естественным колебаниям атомов и электронов внутри материалов. В идеале терагерцовое излучение — идеальный инструмент для изучения этих движений.
Однако, хотя частота излучения подходящая, длина волны — расстояние, на котором волна повторяется в пространстве — слишком велика. Терагерцовые волны имеют длину волны в сотни микрон. Из-за этого терагерцовые лучи не могут быть сфокусированы достаточно точно. В результате сфокусированный терагерцовый луч физически слишком велик, чтобы эффективно взаимодействовать с микроскопическими образцами, и просто «омывает» эти крошечные структуры, не раскрывая мелких деталей.
Преодоление ограничений
Команда учёных из MIT разработала новый терагерцовый микроскоп, который сжимает терагерцовое излучение до микроскопических размеров. Этот микроскоп позволяет увидеть квантовые детали в материалах, которые ранее были недоступны.
Для демонстрации команда использовала новый микроскоп для визуализации небольшого, атомарно тонкого образца бисмута стронция кальция меди оксида (BSCCO) — материала, который сверхпроводит при относительно высоких температурах. Они поместили образец очень близко к источнику терагерцового излучения и визуализировали его при температурах, близких к абсолютному нулю — достаточно холодному, чтобы материал стал сверхпроводником.
Чтобы создать изображение, они сканировали лазерный луч, посылая терагерцовое излучение через образец и ища специфические сигнатуры, оставленные сверхпроводящими электронами.
«Мы видим, что терагерцовое поле резко искажается, с небольшими колебаниями, следующими за основным импульсом», — говорит Александр фон Хоэген, постдок в Лаборатории исследований материалов MIT и ведущий автор исследования. «Это говорит нам о том, что что-то в образце излучает терагерцовое излучение после того, как его «толкнуло» нашим первоначальным терагерцовым импульсом».
Дальнейший анализ
С помощью дальнейшего анализа команда пришла к выводу, что терагерцовый микроскоп наблюдал естественные коллективные терагерцовые колебания сверхпроводящих электронов внутри материала.
«Это своего рода сверхпроводящий гель, который мы видим, как будто он «дрожит»», — говорит фон Хоэген.
Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США и Фондом Гордона и Бетти Мур.
Статья: «Imaging a terahertz superfluid plasmon in a two-dimensional superconductor» («Визуализация терагерцового супержидкостного плазмона в двумерном сверхпроводнике»).