Científicos del MIT observan movimientos cuánticos ocultos en superconductores

La luz utilizada para examinar un material puede revelar detalles muy diferentes. La luz visible muestra lo que ocurre en la superficie, los rayos X exponen lo que se encuentra en el interior, y el infrarrojo detecta el calor emitido.

Recientemente, investigadores del MIT dieron un gran paso al usar luz de terahercios para descubrir vibraciones a nivel cuántico dentro de un material superconductor. Estos sutiles movimientos nunca habían sido observados directamente antes.

Características de la Luz de Terahercios

La radiación de terahercios se sitúa entre las microondas y la luz infrarroja en el espectro electromagnético. Pulsando más de un billón de veces por segundo, coincide estrechamente con las vibraciones naturales de los átomos y electrones dentro de los materiales. En teoría, esto la convierte en una forma ideal para estudiar esos movimientos.

No obstante, existe un desafío importante. La longitud de onda, o la distancia entre los picos repetidos de la onda, es muy larga, midiendo cientos de micrones. Dado que la luz no puede enfocarse en un punto más pequeño que su longitud de onda, los haces de terahercios son demasiado grandes para explorar estructuras diminutas. En lugar de revelar detalles finos, tienden a pasar por alto muestras microscópicas.

Un Avance en el Microscopio de Terahercios

En un estudio publicado en Nature, los científicos del MIT informaron sobre una solución. Crearon un nuevo tipo de microscopio de terahercios que comprime esta luz de longitud de onda larga en una región extremadamente pequeña. Este haz enfocado ahora puede detectar características a escala cuántica que anteriormente estaban fuera de alcance.

Utilizando esta herramienta, el equipo examinó un material llamado óxido de bismuto estroncio calcio cobre, o BSCCO (pronunciado "BIS-co"), que se vuelve superconductor a temperaturas relativamente altas. El microscopio les permitió observar un flujo sin fricción de electrones que se comportaban como un "superfluido", moviéndose juntos y oscilando a frecuencias de terahercios dentro del material.

"Este nuevo microscopio ahora nos permite ver un nuevo modo de electrones superconductores que nadie ha visto antes", afirmó Nuh Gedik, profesor de Física en el MIT.

Importancia de este Descubrimiento

Estudiar BSCCO y materiales similares con luz de terahercios podría ayudar a los científicos a comprender mejor la superconductividad y acercarse al desarrollo de superconductores a temperatura ambiente. La tecnología también podría ayudar a identificar materiales que pueden emitir y detectar radiación de terahercios.

Dichos materiales podrían desempeñar un papel clave en futuros sistemas inalámbricos que operen a frecuencias de terahercios, potencialmente habilitando una transmisión de datos mucho más rápida que las tecnologías actuales basadas en microondas.

"Hay un gran impulso para llevar el Wi-Fi o las telecomunicaciones al siguiente nivel, a frecuencias de terahercios", comentó Alexander von Hoegen, investigador postdoctoral en el Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT y autor principal del estudio. "Si tienes un microscopio de terahercios, podrías estudiar cómo la luz de terahercios interactúa con dispositivos microscópicos que podrían servir como futuras antenas o receptores".

El equipo de investigación también incluyó a científicos del MIT como Tommy Tai, Clifford Allington, Matthew Yeung, Jacob Pettine, Alexander Kossak, Byunghun Lee y Geoffrey Beach, junto con colaboradores de la Universidad de Harvard, el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia, el Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos y el Laboratorio Nacional de Brookhaven.

El Problema del Límite de Difracción

La luz de terahercios ha sido considerada prometedora para la imagenología debido a que ocupa un espacio intermedio útil. Al igual que las ondas de radio y la luz visible, es no ionizante y segura para los tejidos biológicos. Al mismo tiempo, puede penetrar muchos materiales, incluidos tejidos, plásticos, madera e incluso paredes delgadas, similar a los rayos X.

Debido a estas ventajas, se está explorando la radiación de terahercios para escaneos de seguridad, imagenología médica y comunicaciones. Sin embargo, su uso en microscopía ha estado limitado por una restricción fundamental conocida como el límite de difracción. Esta regla restringe cuán finamente la luz puede resolver detalles según su longitud de onda.

Dado que las longitudes de onda de terahercios son mucho más grandes que los átomos y moléculas, normalmente no pueden resolver características microscópicas.

"Nuestra principal motivación es este problema que, podrías tener una muestra de 10 micrones, pero tu luz de terahercios tiene una longitud de onda de 100 micrones, por lo que lo que principalmente estarías midiendo es aire, o el vacío alrededor de tu muestra", explica von Hoegen. "Te perderías todas estas fases cuánticas que tienen huellas características en el régimen de terahercios".

Superando el Límite con Emisores Spintrónicos

Para sortear esta limitación, los investigadores utilizaron emisores spintrónicos, una tecnología más reciente que genera cortos destellos de radiación de terahercios. Estos emisores están hechos de capas de metal ultradelgadas apiladas. Cuando son golpeados por un láser, desencadenan una reacción en cadena en los electrones que produce pulsos de terahercios.

Al colocar la muestra extremadamente cerca del emisor, el equipo capturó la luz de terahercios antes de que pudiera expandirse. Esto comprimió efectivamente la luz en una región mucho más pequeña que su longitud de onda, permitiéndole eludir el límite de difracción y revelar detalles mucho más finos.

Imágenes del Movimiento Cuántico en Superconductores

El equipo construyó su microscopio combinando emisores spintrónicos con un espejo de Bragg, una estructura en capas que filtra longitudes de onda no deseadas mientras protege la muestra del láser utilizado para generar la luz de terahercios.

Probaron el sistema en una muestra ultradelgada de BSCCO, enfriándola a casi cero absoluto para que entrara en su estado superconductor. Al escanear un láser a través de la muestra, enviaron pulsos de terahercios a través de ella y midieron cómo cambiaba la señal.

"Vemos que el campo de terahercios se distorsiona dramáticamente, con pequeñas oscilaciones siguiendo el pulso principal", dice von Hoegen. "Eso nos indica que algo en la muestra está emitiendo luz de terahercios, después de haber sido golpeado por nuestro pulso inicial de terahercios".

Un análisis adicional reveló que estas señales provenían de las oscilaciones colectivas naturales de los electrones superconductores.

"Es este gel superconductor que estamos viendo 'jiggle'", comenta von Hoegen.

Una Nueva Ventana a los Fenómenos Cuánticos

Aunque los científicos habían predicho este tipo de movimiento, nunca se había observado directamente hasta ahora. El equipo ya está aplicando el microscopio a otros materiales bidimensionales para explorar efectos adicionales a escala de terahercios.

"Existen muchas de las excitaciones fundamentales, como vibraciones de red y procesos magnéticos, y todos estos modos colectivos que ocurren a frecuencias de terahercios", dice von Hoegen. "Ahora podemos hacer un zoom resonante en esta física interesante con nuestro microscopio de terahercios".

Este trabajo fue apoyado en parte por el Departamento de Energía de EE. UU. y la Gordon and Betty Moore Foundation.