La luz utilizada para examinar un material puede revelar detalles muy diferentes. La luz visible muestra lo que sucede en una superficie, los rayos X revelan lo que hay dentro y el infrarrojo detecta el calor que se emite.
Ahora, los investigadores del MIT han dado un gran paso adelante al utilizar luz de terahercios para descubrir vibraciones a nivel cuántico dentro de un material superconductor. Estos movimientos sutiles nunca antes se habían visto directamente.
¿Qué hace que la luz de terahercios sea única?
La radiación de terahercios se encuentra entre las microondas y la luz infrarroja en el espectro electromagnético. Vibra más de un billón de veces por segundo, muy similar a las vibraciones naturales de los átomos y electrones de la materia. En teoría, esto lo convierte en una forma ideal de estudiar estos movimientos.
Sin embargo, existe un gran desafío. La longitud de onda, o la distancia entre los picos repetidos de la onda, es muy larga y mide cientos de micrones. Debido a que la luz no puede enfocarse en un punto menor que su longitud de onda, los haces de terahercios son demasiado grandes para examinar claramente estructuras pequeñas. En lugar de revelar detalles finos, tienden a borrar muestras microscópicas.
Un nuevo avance en el microscopio de terahercios
En un estudio publicado por el Dr. la naturalezaLos científicos del MIT informan sobre una solución. Desarrollaron un nuevo tipo de microscopio de terahercios que comprime esta luz de longitud de onda larga en una región extremadamente pequeña. Este haz enfocado ahora puede detectar características de escala cuántica que antes estaban fuera de alcance.
Utilizando esta herramienta, el equipo probó un material llamado óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre, o BSCCO (pronunciado “BIS-co”), que se vuelve superconductor a temperaturas relativamente altas. El microscopio les permitió observar el flujo sin fricción de electrones que se comportan como un “superfluido”, moviéndose juntos y oscilando a frecuencias de terahercios dentro del material.
“Este nuevo microscopio ahora nos permite ver un nuevo modo de electrones superconductores que nadie había visto antes”, dijo Noah Gedick, profesor Donner de Física en el MIT.
¿Por qué es importante este descubrimiento?
Estudiar BSCCO y materiales similares con luz de terahercios podría ayudar a los científicos a comprender mejor la superconductividad y acercarse al desarrollo de superconductores a temperatura ambiente. La tecnología también puede ayudar a identificar y detectar materiales que emiten radiación de terahercios.
Estos materiales podrían desempeñar un papel clave en futuros sistemas inalámbricos que funcionen en frecuencias de terahercios, permitiendo potencialmente una transmisión de datos mucho más rápida que las tecnologías actuales basadas en microondas.
“Existe un gran impulso para llevar el Wi-Fi o las telecomunicaciones al siguiente nivel, a la frecuencia de terahercios”, afirmó Alexander von Haugen, postdoctorado en el Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT y autor principal del estudio. “Si tienes un microscopio de terahercios, puedes estudiar cómo la luz de terahercios interactúa con dispositivos microscópicamente pequeños que podrían servir como futuras antenas o receptores”.
El equipo de investigación incluyó a los científicos del MIT Tommy Tai, Clifford Allington, Matthew Yeung, Jacob Pettin, Alexander Kosak, Byonghun Lee y Geoffrey Beach, junto con colaboradores de la Universidad de Harvard, el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia, el Instituto Max Planck del Instituto Nacional de Estructura y Dinámica y el Sistema Nacional Labex.
El problema del límite de evolución
La luz de terahercios se ha considerado durante mucho tiempo prometedora para la obtención de imágenes porque ocupa un útil término medio. Al igual que las ondas de radio y la luz visible, no es ionizante y es seguro para los tejidos biológicos. Al mismo tiempo, puede penetrar muchos materiales, como tela, plástico, madera e incluso paredes finas, de forma similar a los rayos X.
Debido a estas ventajas, la radiación de terahercios se está explorando para escaneos de seguridad, imágenes médicas y comunicaciones. Pero su uso en microscopía está limitado por una limitación fundamental conocida como límite de difracción. Esta regla limita la precisión con la que se puede resolver la luz en detalle en función de su longitud de onda.
Debido a que las longitudes de onda de terahercios son mucho más grandes que los átomos y las moléculas, normalmente no pueden resolver características microscópicas.
“Nuestra principal motivación es el problema de que puedes tener una muestra de 10 micrones, pero tu luz de terahercios tiene una longitud de onda de 100 micrones, por lo que lo que medirás es el aire o el vacío alrededor de tu muestra”, explica von Hausen. “En el régimen de terahercios se pierden todas estas fases cuánticas que tienen huellas dactilares características”.
Cruzando límites con emisores espintrónicos
Para sortear esta limitación, los investigadores utilizaron emisores espintrónicos, una nueva tecnología que produce breves ráfagas de radiación de terahercios. Estos emisores están hechos de capas metálicas ultrafinas apiladas. Cuando son golpeados por un láser, inician una reacción en cadena en los electrones que producen pulsos de terahercios.
Al colocar la muestra muy cerca del emisor, el equipo capturó la luz de terahercios antes de que se dispersara. Esto comprime efectivamente la luz en una región mucho más pequeña que su longitud de onda, lo que le permite superar el límite de difracción y revelar detalles más finos.
Imágenes del movimiento cuántico en superconductores
El equipo construyó su microscopio combinando emisores espintrónicos con un espejo de Bragg, una estructura en capas que filtra longitudes de onda no deseadas mientras protege la muestra del láser utilizado para generar luz de terahercios.
Probaron el sistema en una muestra ultrafina de BSCCO, enfriándolo hasta casi el cero absoluto para que entre en su estado superconductor. Al escanear un láser a través de la muestra, enviaron pulsos de terahercios a través de ella y midieron cómo cambiaba la señal.
“Podemos ver que el campo de terahercios está dramáticamente distorsionado, con ligeras oscilaciones siguiendo el pulso principal”, dijo von Hoesen. “Esto nos dice que parte de la muestra está emitiendo luz de terahercios, después de haber sido impulsada por nuestro pulso inicial de terahercios”.
Un análisis más detallado demostró que estas señales provenían de oscilaciones colectivas naturales de electrones superconductores.
“Es este gel superconductor el que vemos Ziegel”, dijo von Hoesen.
Una nueva ventana a los fenómenos cuánticos
Aunque los científicos predijeron este tipo de movimiento, hasta ahora nunca se había observado directamente. El equipo ya está aplicando el microscopio a otros materiales bidimensionales para explorar efectos adicionales a escala de terahercios.
“Hay muchas excitaciones fundamentales, como vibraciones de red y procesos magnéticos, y todos estos modos colectivos que ocurren en frecuencias de terahercios”, dijo von Hausen. “Ahora podemos acercarnos de manera resonante a esta fascinante física con nuestro microscopio de terahercios”.
Este trabajo fue apoyado en parte por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Gordon y Betty Moore.
