اولین میکروسکوپ تراهرتزی جهان نوسانات پنهان کوانتومی را آشکار کرد

پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق به ساخت نخستین میکروسکوپ تراهرتزی جهان شده‌اند؛ ابزاری که برای اولین‌بار امکان مشاهده مستقیم حرکت‌های کوانتومی الکترون‌ها در مواد ابررسانا را فراهم می‌کند؛ پدیده‌ای که دهه‌ها از دید دانشمندان پنهان مانده بود.

به گزارش interesting engineering، این میکروسکوپ نوآورانه با فشرده‌سازی نور تراهرتز به ابعاد میکروسکوپی نوسانات بسیار ظریف و جمعی الکترون‌های ابررسانا را ثبت کرده است. این پیشرفت پنجره‌ای تازه به رفتار‌های الکترونیکی در مواد جامد می‌گشاید که تاکنون به‌دلیل محدودیت‌های فیزیکی ابزار‌های اندازه‌گیری قابل مشاهده نبودند.

تابش تراهرتز در ناحیه‌ای میان امواج مایکروویو و فروسرخ در طیف الکترومغناطیسی قرار دارد و فرکانس آن با نحوه ارتعاش طبیعی اتم‌ها و الکترون‌ها در مواد هم‌خوانی دارد. با این حال طول موج بلند این تابش (در حد صد‌ها میکرون) همواره مانعی جدی برای مطالعه نمونه‌های بسیار کوچک بوده است، زیرا قوانین فیزیکی اجازه تمرکز این امواج را در ابعاد میکروسکوپی نمی‌دادند.

پژوهشگران MIT برای عبور از این محدودیت از گسیلنده‌های اسپین‌ترونیکی استفاده کردند؛ ساختار‌هایی متشکل از لایه‌های بسیار نازک فلزی که هنگام تابش لیزر، پالس‌های تیز و کوتاه تراهرتزی تولید می‌کنند. با قرار دادن نمونه‌ها در فاصله‌ای بسیار نزدیک به این گسیلنده‌ها میدان تراهرتز پیش از پخش شدن به دام افتاد. در این ناحیه موسوم به میدان نزدیک نور تراهرتز می‌تواند از سد پراش عبور کرده و ویژگی‌های نانومقیاس مواد را بررسی کند.

این تیم پژوهشی گسیلنده اسپین‌ترونیکی را در قالب یک میکروسکوپ کامل ادغام و آن را با یک آینه براگ ترکیب کرد تا طول موج‌های ناخواسته حذف شوند. این آینه همچنین از نمونه‌ها در برابر لیزری که تولیدکننده تابش تراهرتز است محافظت می‌کند و امکان مطالعه مواد حساس را بدون آسیب فراهم می‌سازد.

در آزمایش‌های اولیه پژوهشگران یک نمونه فوق‌نازک از ماده ابررسانای بیسموت-استرانسیم-کلسیم-مس-اکسید (BSCCO) را بررسی کردند؛ ماده‌ای که در دما‌های نسبتا بالا به حالت ابررسانایی می‌رسد. نمونه تا نزدیکی صفر مطلق سرد شد و سپس با پالس‌های تراهرتزی اسکن شد.

نتایج نشان داد که میدان تراهرتز پس از عبور از نمونه دچار اعوجاج شده و نوسانات کوچکی پس از پالس اصلی ظاهر می‌شود؛ نشانه‌ای از آنکه خود ماده در حال گسیل تابش تراهرتز است. تحلیل‌های بعدی مشخص کرد که این سیگنال ناشی از نوسانات جمعی الکترون‌های ابررسانا است؛ الکترون‌هایی که در حالت ابررسانایی یک سیال بدون اصطکاک تشکیل می‌دهند.

به گفته پژوهشگران این میکروسکوپ برای نخستین‌بار امکان مشاهده مستقیم یک مد جدید از حرکت الکترون‌های ابررسانا را فراهم کرده است؛ پدیده‌ای که پیش‌تر تنها به‌صورت نظری پیش‌بینی شده بود، اما هیچ ابزاری قادر به ثبت آن در فرکانس‌های تراهرتزی نبود.

کاربرد‌های این فناوری فراتر از فیزیک ابررسانایی است. فرکانس‌های تراهرتزی به‌عنوان گزینه‌ای کلیدی برای نسل آینده ارتباطات بی‌سیم مطرح هستند و می‌توانند سرعت انتقال داده را به‌مراتب افزایش دهند. این میکروسکوپ می‌تواند به بررسی نحوه تعامل امواج تراهرتز با ادوات بسیار کوچک الکترونیکی کمک کند.

پژوهشگران قصد دارند در ادامه این ابزار را برای مطالعه سایر مواد دوبعدی به‌کار بگیرند؛ موادی که بسیاری از برانگیختگی‌های بنیادی آنها در محدوده تراهرتز رخ می‌دهد. به این ترتیب برای نخستین‌بار امکان زوم کردن و مشاهده مستقیم این پدیده‌ها در مقیاس کوانتومی فراهم شده است.

نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature منتشر شده است.

انتهای پیام/