دانشمندان MIT با توسعه نخستین میکروسکوپ تراهرتزی با تفکیک میکروسکوپی، موفق شدند نوعی حرکت کوانتومی دیرپیشبینیشده اما تاکنون نامرئی را در الکترونهای ابررسانا به طور مستقیم مشاهده کنند.
به گزارش سرویس علمی تکناک، این دستاورد، امکان مطالعه رفتارهای بنیادی الکترونی را فراهم میکند که دههها از دسترس ابزارهای متعارف خارج بود و میتواند مسیر پژوهشهای آینده در فیزیک ماده چگال و فناوریهای ارتباطی پیشرفته را تغییر دهد.
تابش تراهرتزی در بازهای میان امواج مایکروویو و فروسرخ از طیف الکترومغناطیسی قرار دارد و فرکانس آن با نوسانهای طبیعی اتمها و الکترونها در مواد جامد همخوانی دارد. به همین دلیل، فیزیکدانان مدتها این بازه فرکانسی را گزینهای ایدئال برای بررسی پدیدههای کوانتومی میدانستند. با وجود این، طولموج بلند امواج تراهرتزی، که معمولاً به صدها میکرومتر میرسد، مانعی جدی برای تمرکز نور و تصویربرداری از نمونههای کوچک ایجاد میکرد و کاربرد عملی این تابش را محدود میساخت.
در روشهای متعارف، قوانین پراش نور اجازه نمیدهد پرتو تراهرتزی روی نواحی بسیار کوچک متمرکز شود. در نتیجه، هنگام بررسی نمونههایی با ابعاد چند میکرومتر، میدان تراهرتزی عملاً روی کل نمونه پخش میشود و اطلاعات دقیق موضعی از بین میرود. همین محدودیت، مشاهده مستقیم بسیاری از فازها و برانگیختگیهای کوانتومی را غیرممکن کرده بود.
بخوانید: کشتیهای هوایی میزبان تازه مراکز داده کوانتومی
پژوهشگران MIT برای حل این مشکل به سراغ گسیلندههای اسپینترونیکی رفتند. گسیلندههای اسپینترونیکی ابزارهایی هستند که با استفاده از پدیدههای اسپین الکترون، پالسهای بسیار کوتاه و قدرتمند تابش تراهرتزی تولید میکنند. این گسیلندهها در سالهای اخیر به یکی از مهمترین منابع تراهرتز در فیزیک ماده چگال و اپتوالکترونیک تبدیل شدهاند.
این گسیلندهها از لایههای فلزی فوقنازک تشکیل شدهاند که با تابش لیزر، پالسهای بسیار کوتاه و شدید تراهرتزی تولید میکنند. تیم پژوهشی، نمونه مورد مطالعه را در فاصلهای بسیار نزدیک به این گسیلنده قرار داد تا میدان تراهرتزی پیش از گسترش فضایی با ماده برهمکنش پیدا کند. در این بخش موسوم به «میدان نزدیک»، محدودیت پراش کنار میرود و امکان بررسی ویژگیهای در مقیاس نانو فراهم میشود.
پژوهشگران این گسیلنده را در قالب یک طراحی کامل میکروسکوپی ادغام کردند و برای محافظت از نمونهها از یک آینه براگ بهره گرفتند. این آینه، طولموجهای ناخواسته لیزر را حذف میکند و تنها تابش تراهرتزی مطلوب را به سمت نمونه هدایت میکند. چنین چیدمانی، امکان مطالعه مواد بسیار حساس را بدون ایجاد آسیب حرارتی یا نوری فراهم ساخت و حساسیت بالای سامانه را حفظ کرد.
تیم تحقیقاتی برای نمایش توانایی این ابزار، یک نمونه اتمی بسیار نازک از اکسید بیسموت–استرانسیم–کلسیم–مس، موسوم به BSCCO را بررسی کرد؛ مادهای که در دماهای به نسبت بالا به حالت ابررسانایی میرسد. پژوهشگران، نمونه را تا نزدیکی صفر مطلق سرد کردند و سپس با پالسهای تراهرتزی، نواحی میکروسکوپی آن را اسکن کردند. آنها تغییرات میدان تراهرتزی را پس از عبور از نمونه با دقت ثبت کردند.
برای مطالعه: برتری کوانتومی واقعی گوگل با تراشه Willow
نتایج نشان داد که پالس تراهرتزی پس از عبور از ماده، دچار اعوجاج میشود و نوسانهای کوچکی پس از پالس اصلی ظاهر میگردد. تحلیل این سیگنالها آشکار کرد که منبع این نوسانها، حرکت جمعی الکترونهای ابررسانا است؛ الکترونهایی که در حالت ابررسانایی، یک سیال کوانتومی بدون اصطکاک را تشکیل میدهند. فیزیکدانان، وجود چنین مدی از نوسان را از نظر نظری پیشبینی کرده بودند، اما تاکنون هیچ ابزار تجربی قادر به مشاهده مستقیم آن در بازه تراهرتزی نبود.
به گفته پژوهشگران، این مشاهده مستقیم نهتنها تأییدی تجربی بر پیشبینیهای قدیمی نظری است، بلکه پنجرهای تازه به درک پویاییهای درونی ابررساناها میگشاید. چنین دانشی میتواند در آینده به طراحی مواد ابررسانای کارآمدتر و سامانههای الکترونیکی کماتلاف کمک کند.
کاربردهای این میکروسکوپ به حوزه ابررسانایی محدود نمیشود. فرکانسهای تراهرتزی به عنوان گزینهای جدی برای نسل بعدی ارتباطات بیسیم مطرح هستند و میتوانند سرعت انتقال داده را بهمراتب فراتر از سامانههای مایکروویوی کنونی ببرند. امکان مشاهده برهمکنش نور تراهرتزی با اجزای بسیار کوچک به مهندسان اجازه میدهد عملکرد ادوات مینیاتوری آینده را با دقت بیشتری ارزیابی و بهینهسازی کنند.
تیم پژوهشی در گامهای بعدی قصد دارد این میکروسکوپ را برای مطالعه مواد دوبعدی دیگر به کار گیرد؛ موادی که بسیاری از برانگیختگیهای بنیادی آنها در بازه تراهرتزی رخ میدهد. به این ترتیب، دانشمندان برای نخستین بار میتوانند این پدیدهها را در مقیاس واقعی مشاهده کنند و تحولات آنها را به صورت مستقیم دنبال نمایند.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature منتشر شده است و از آن به عنوان گامی مهم در توسعه ابزارهای تصویربرداری کوانتومی یاد میشود؛ گامی که میتواند مرزهای مشاهده در فیزیک مدرن را به طور چشمگیری جابهجا کند.
