A luz usada para examinar um material pode revelar detalhes muito diferentes. A luz visível mostra o que está acontecendo em uma superfície, os raios X revelam o que está dentro e o infravermelho detecta a emissão de calor.
Agora, os pesquisadores do MIT deram um grande passo ao usar a luz terahertz para descobrir vibrações de nível quântico dentro de um material supercondutor. Esses movimentos sutis nunca foram vistos diretamente antes.
O que torna a luz terahertz única?
A radiação Terahertz fica entre as microondas e a luz infravermelha no espectro eletromagnético. Ele vibra mais de um trilhão de vezes por segundo, correspondendo perfeitamente às vibrações naturais dos átomos e elétrons da matéria. Em teoria, isso o torna uma forma ideal de estudar esses movimentos.
No entanto, há um grande desafio. O comprimento de onda, ou a distância entre os picos repetidos da onda, é muito longo, medindo centenas de mícrons. Como a luz não pode ser focada em um ponto menor que seu comprimento de onda, os feixes de terahertz são muito grandes para examinar claramente pequenas estruturas. Em vez de revelar pequenos detalhes, eles tendem a remover amostras microscópicas.
Um novo avanço no microscópio Terahertz
Em um estudo publicado pelo Dr. a naturezaCientistas do MIT relatam uma solução. Eles desenvolveram um novo tipo de microscópio terahertz que comprime essa luz de comprimento de onda longo em uma região extremamente pequena. Este feixe focado agora pode detectar características em escala quântica que antes estavam fora de alcance.
Usando esta ferramenta, a equipe testou um material chamado óxido de bismuto, estrôncio, cálcio e cobre, ou BSCCO (pronuncia-se “BIS-co”), que se torna supercondutor em temperaturas relativamente altas. O microscópio permitiu-lhes observar o fluxo sem atrito de elétrons que se comportam como um “superfluido”, movendo-se juntos e oscilando em frequências terahertz dentro do material.
“Este novo microscópio permite-nos agora ver um novo modo de electrões supercondutores que ninguém tinha visto antes”, disse Noah Gedick, Donner Professor de Física no MIT.
Por que essa descoberta é importante?
Estudar BSCCO e materiais semelhantes com luz terahertz poderia ajudar os cientistas a entender melhor a supercondutividade e a se aproximar do desenvolvimento de supercondutores à temperatura ambiente. A tecnologia também pode ajudar a identificar e detectar materiais que emitem radiação terahertz.
Esses materiais poderiam desempenhar um papel fundamental em futuros sistemas sem fio que operam em frequências terahertz, permitindo potencialmente uma transmissão de dados muito mais rápida do que as atuais tecnologias baseadas em microondas.
“Há um grande esforço para levar o Wi-Fi ou as telecomunicações para o próximo nível, para a frequência terahertz”, disse Alexander von Haugen, pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT e principal autor do estudo. “Se você tiver um microscópio terahertz, poderá estudar como a luz terahertz interage com dispositivos microscopicamente pequenos que poderiam servir como futuras antenas ou receptores.”
A equipe de pesquisa incluiu os cientistas do MIT Tommy Tai, Clifford Allington, Matthew Yeung, Jacob Pettin, Alexander Kosak, Byonghun Lee e Geoffrey Beach, juntamente com colaboradores da Universidade de Harvard, do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, do Instituto Max Planck do Instituto Nacional de Estrutura e Dinâmica, do Sistema Nacional Labex.
O problema do limite de evolução
A luz Terahertz há muito é considerada promissora para imagens porque ocupa um meio-termo útil. Assim como as ondas de rádio e a luz visível, não é ionizante e é seguro para os tecidos biológicos. Ao mesmo tempo, pode penetrar em muitos materiais, incluindo tecido, plástico, madeira e até paredes finas, semelhantes aos raios X.
Devido a essas vantagens, a radiação terahertz está sendo explorada para varreduras de segurança, imagens médicas e comunicações. Mas seu uso em microscopia é limitado por uma limitação fundamental conhecida como limite de difração. Esta regra limita o quão detalhadamente a luz pode ser resolvida com base em seu comprimento de onda.
Como os comprimentos de onda terahertz são muito maiores que os átomos e moléculas, eles normalmente não conseguem resolver características microscópicas.
“Nossa principal motivação é o problema de que você pode ter uma amostra de 10 mícrons, mas sua luz terahertz tem um comprimento de onda de 100 mícrons, então o que você medirá é o ar ou o vácuo ao redor de sua amostra”, explica von Hausen. “No regime terahertz você perde todas essas fases quânticas que possuem impressões digitais características.”
Cruzando Limites com Emissores Spintrônicos
Para contornar esta limitação, os investigadores usaram emissores spintrónicos, uma nova tecnologia que produz pequenas rajadas de radiação terahertz. Esses emissores são feitos de camadas metálicas ultrafinas empilhadas. Quando atingidos por um laser, eles iniciam uma reação em cadeia nos elétrons que produzem pulsos de terahertz.
Ao colocar a amostra muito perto do emissor, a equipe capturou a luz em terahertz antes que ela se espalhasse. Isso comprime efetivamente a luz em uma região muito menor que seu comprimento de onda, permitindo contornar o limite de difração e revelar detalhes mais sutis.
Imagens de movimento quântico em supercondutores
A equipe construiu seu microscópio combinando emissores spintrônicos com um espelho de Bragg, uma estrutura em camadas que filtra comprimentos de onda indesejados enquanto protege a amostra do laser usado para gerar luz terahertz.
Eles testaram o sistema em uma amostra ultradestilada de BSCCO, resfriando-o até próximo do zero absoluto para que entrasse em seu estado supercondutor. Ao varrer a amostra com um laser, eles enviaram pulsos de terahertz através dela e mediram como o sinal mudou.
“Podemos ver que o campo terahertz está dramaticamente distorcido, com ligeiras oscilações seguindo o pulso principal”, disse von Hoesen. “Isso nos diz que parte da amostra está emitindo luz terahertz, depois de ter sido acionada pelo nosso pulso inicial de terahertz.”
Análises posteriores mostraram que esses sinais provinham de oscilações naturais e coletivas de elétrons supercondutores.
“É este gel supercondutor que vemos Ziegel”, disse von Hoesen.
Uma nova janela sobre os fenômenos quânticos
Embora os cientistas tenham previsto este tipo de movimento, ele não foi observado diretamente até agora. A equipe já está aplicando o microscópio a outros materiais bidimensionais para explorar efeitos adicionais na escala de terahertz.
“Existem muitas excitações fundamentais, como vibrações de rede e processos magnéticos, e todos esses modos coletivos que ocorrem em frequências terahertz”, disse von Haugen. “Agora podemos ampliar de forma ressonante esta física fascinante com o nosso microscópio terahertz.”
Este trabalho foi apoiado em parte pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Fundação Gordon e Betty Moore.
