Готовы к интернету на скорости света? Новый терагерцовый микроскоп показал, на чём будут работать сети 6G

Физики создали микроскоп нового типа, который позволяет наблюдать квантовую динамику электронов внутри сверхпроводников с помощью терагерцового излучения. Раньше такие процессы оставались вне прямого наблюдения. Прибор дает возможность регистрировать коллективные колебания электронов в твердых материалах на частотах, где разворачивается значительная часть квантовых эффектов.

Терагерцовый диапазон находится между микроволнами и инфракрасным светом. Частоты здесь достигают триллионов колебаний в секунду. Именно в этой области лежат характерные частоты колебаний электронных состояний и решетки кристалла. Поэтому терагерцовое излучение хорошо подходит для изучения квантовых возбуждений. Долгое время у метода было серьезное ограничение. Длина такой волны достигает сотен микрон, а по законам дифракции свет нельзя сфокусировать в пятно заметно меньше собственной длины волны. В результате пучок просто перекрывает микроскопический образец целиком и не позволяет различать мелкие детали.

Группа предложила способ обойти дифракционный предел и сжать поле до микроскопического масштаба. Для этого использовали спинтронные излучатели. Так называют структуры из нескольких сверхтонких металлических слоев, где учитывают не только заряд электрона, но и его спин, то есть собственный магнитный момент. Когда по такой многослойной пленке бьет лазерный импульс, в ней возникают сверхбыстрые токи, которые порождают короткие терагерцовые всплески.

Образец разместили на крайне малом расстоянии от источника. В такой конфигурации регистрируется так называемое ближнее поле. В ближней зоне электромагнитная волна еще не успевает разойтись и подчиняется другим пространственным масштабам. Это позволяет исследовать объекты существенно меньше длины волны и получать локальную информацию. По сути, зондирование идет до того, как излучение «расплывается» в обычный пучок.

Излучатель встроили в полноценную микроскопическую схему. К ней добавили брэгговское зеркало. Это многослойная отражающая структура, которая выборочно отражает одни длины волн и пропускает другие. В установке оно отсекает лишнее излучение и экранирует образец от лазера, который запускает терагерцовую генерацию. Такая защита важна для чувствительных материалов, которые легко повредить оптическим импульсом. В итоге прибор может сканировать очень малые участки и при этом сохраняет чувствительность к терагерцовому сигналу.

Для проверки возможностей системы исследователи выбрали атомарно тонкий образец висмут-стронций-кальций-медного оксида, известного как BSCCO. Это высокотемпературный сверхпроводник. Под таким названием понимают материалы, которые переходят в сверхпроводящее состояние при температурах выше, чем классические металлические сверхпроводники, хотя все равно значительно ниже комнатных. Образец охладили почти до абсолютного нуля и просканировали терагерцовыми импульсами, одновременно измеряя, как меняется форма поля после прохождения через слой.

В зарегистрированном сигнале появились дополнительные колебания, следующие за основным импульсом. Такой отклик означает, что внутри материала возникает собственное переизлучение в том же диапазоне. Детальный разбор показал источник эффекта. Установка зафиксировала коллективные колебания электронов в сверхпроводящем состоянии. В сверхпроводнике электроны образуют связанное состояние и ведут себя как единая квантовая жидкость без электрического сопротивления.

Теория давно предсказывала существование подобных мод коллективных колебаний, но прямого наблюдения на терагерцовых частотах до сих пор не было. Новый инструмент позволил увидеть такой режим напрямую. Авторы отмечают, что методика пригодится не только для исследований сверхпроводимости. Терагерцовые процессы важны и для развития беспроводных технологий, где рассматривают использование все более высоких частот для передачи данных.