Een team van MIT-natuurkundigen heeft een prestatie geleverd waarvan lang werd gedacht dat deze onmogelijk was: ze zijn erin geslaagd de beweging van supergeleidende elektronen op ultrasnelle kwantumschalen te onderzoeken. Onderzoekers gebruikten een nieuwe microscoop gebaseerd op terahertz-lichtpulsen – die uitstralen met frequenties van biljoenen oscillaties per seconde – om voor het eerst een ‘dans op atomair niveau’ vast te leggen die nog nooit eerder rechtstreeks was waargenomen.
Deze doorbraak zal naar verwachting een diepgaande impact hebben op meerdere industrieën. Als mensen het gedragsmechanisme van supergeleiding op kwantumschaal beter kunnen begrijpen, kan dit de ontwikkeling van supergeleidende materialen op kamertemperatuur versnellen, waardoor ontwrichtende verbeteringen tot stand kunnen worden gebracht op gebieden als de transmissie van elektriciteitsnetwerken, kwantumcomputers en het transport van magnetische levitatie. Tegelijkertijd heeft deze terahertz-technologie zelf ook een groot potentieel. Het kan signalen verzenden en ontvangen op ongekend hoge frequenties en zal naar verwachting ultrasnelle datatransmissie bevorderen in toekomstige draadloze communicatie, detectieapparatuur en elektronische systemen van de nieuwe generatie.
Relevante resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift "Nature". Het experimentele object is een op koper gebaseerd supergeleidend materiaal voor hoge temperaturen, genaamd "Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide" (BSCCO), dat elektriciteit kan geleiden zonder verlies bij relatief hoge temperaturen. Toen de onderzoekers het materiaal beschenen met nauwkeurig afgestemde terahertz-pulsen, begonnen de elektronen binnenin collectief te bewegen, waarbij ze op precies dezelfde frequentie trilden als het binnenkomende terahertz-licht. MIT-natuurkundige Nuh Gedik noemt dit voorheen niet vastgelegde gedrag 'een nieuwe manier van supergeleidende elektronen'.
De sleutel tot het bereiken van deze waarneming is een nieuwe terahertz-microscoop die terahertz-straling, die gewoonlijk honderden micrometers lang is, kan 'persen' tot op de schaal van kwantummaterialen. Terahertz-golven bevinden zich tussen microgolven en infrarood in het elektromagnetische spectrum en worden beschouwd als de ‘sweet spot’ op het gebied van beeldvorming: het zijn niet-ioniserende straling met een sterk doordringend vermogen, en hun oscillatiefrequentie is sterk afgestemd op het natuurlijke trillingsritme van atomen en elektronen. Maar daarvoor konden terahertzgolven nauwelijks worden gebruikt om kleine structuren waar te nemen. Het fundamentele obstakel lag in de ‘diffractielimiet’: de straal kon niet worden gefocusseerd op een schaal kleiner dan zijn eigen golflengte.
MIT-postdoctoraal onderzoeker Alexander von Hoegen en collega's vonden een manier om deze grens te verleggen. Ze gebruikten een spintronische emitter, een gelaagde metalen structuur die extreem scherpe terahertz-pulsen produceert wanneer deze wordt verlicht door laserlicht. Door monsters ter grootte van een micrometer extreem dicht bij de emissiebron te plaatsen, 'ving' het team de straal op voordat deze tijd had om zich naar buiten te verspreiden, waardoor de energie werd geconcentreerd op een gebied dat veel kleiner was dan de golflengte. Door dit sterke ruimtelijke opsluitingseffect kan de microscoop details oplossen die volledig onzichtbaar zijn onder traditionele terahertz-verlichting.
Het ontwerp integreert de zender ook met een Bragg-reflector, die is opgebouwd uit meerdere ultradunne reflecterende lagen die ongewenst licht filteren terwijl alleen de beoogde terahertz-frequentieband wordt doorgelaten. Een dergelijke structuur kan kwetsbare monsters beschermen tegen schade door optische lasers, terwijl de hoogfrequente terahertz-signalen die onderzoekers hopen te vangen intact blijven.
In het eerste experiment koelden de onderzoekers een monster van BSCCO af tot bijna het absolute nulpunt, waardoor het in een supergeleidende toestand terechtkwam. Terwijl terahertz-pulsen door het cryogene materiaal gingen, registreerden de detectoren zwakke, regelmatige oscillaties in het retourveld - een teken dat elektronen collectief naar binnen bewogen, als een 'wrijvingsloze vloeistof'. Het team vergeleek deze gemeten signalen vervolgens met theoretische modellen, wat bevestigde dat ze voor het eerst de quantum-superfluïde beweging zelf echt in beeld hadden gebracht. "Wat we zien is als een bal supergeleidende gel die lichtjes trilt." Von Hegen beschreef het.
Deze visualisatie opent een nieuw venster op het begrijpen van de kwantumdynamiek in supergeleiders. Wetenschappers hopen de belangrijkste factoren die ervoor zorgen dat elektronen deze ‘coöperatieve wrijvingsloze’ toestand bij hogere temperaturen kunnen behouden verder te verduidelijken, en daarmee aanwijzingen te geven voor de realisatie van supergeleiding bij kamertemperatuur, een langetermijndoel op het gebied van de natuurkunde en energietechnologie.
Von Hegen is van mening dat de betekenis van terahertzmicroscopie veel verder gaat dan fundamenteel natuurkundig onderzoek. In de toekomst kan het ook worden gebruikt om de signaalvoortplanting in antennes of sensoren op nanoschaal te bestuderen. Deze apparaten zijn kandidaten die zijn ontworpen voor communicatietechnologie in de terahertz-band en worden beschouwd als de communicatietechnologie van de volgende generatie, na de huidige Wi-Fi- en millimetergolfsystemen. Hij legde uit: “De industrie promoot nu krachtig Wi-Fi en communicatiesystemen op de terahertz-frequentieband. Als je een terahertz-microscoop hebt, kun je direct waarnemen hoe terahertz-licht interageert met microscopische apparaten, en deze apparaten zullen in de toekomst waarschijnlijk een nieuwe generatie antennes of ontvangers worden.”
Nu deze nieuwe microscoop in gebruik wordt genomen, is het team van plan hun onderzoek uit te breiden naar meer tweedimensionale materialen met vreemd elektronisch gedrag, in de hoop hun unieke interne trillingsmodi in de terahertz-frequentieband vast te leggen. De onderzoekers zeggen dat elk experiment hen dichter bij het antwoord op een kernvraag brengt: hoe werken elektronen samen als wrijving in de elektronische wereld 'verdwijnt', en hoe dit de toekomst van elektronische materialen en apparaten opnieuw zal vormgeven.