O tipo de luz utilizada para examinar o material pode revelar detalhes muito diferentes. A luz visível mostra o que está acontecendo na superfície, os raios X revelam o que está dentro e o infravermelho revela a radiação térmica.
Agora, os pesquisadores do MIT deram um passo importante ao usar a luz terahertz para detectar flutuações no nível quântico dentro de um material supercondutor. Esses movimentos sutis nunca foram observados diretamente antes.
O que torna a luz terahertz única
A radiação Terahertz fica entre as microondas e a luz infravermelha no espectro eletromagnético. Ele pulsa mais de um trilhão de vezes por segundo, correspondendo exatamente às oscilações naturais dos átomos e elétrons nos materiais. Em teoria, isso o torna uma maneira ideal de aprender esses movimentos.
No entanto, há um problema sério. O comprimento de onda, ou a distância entre os picos repetidos de uma onda, é muito longo e chega a centenas de mícrons. Como a luz não pode ser focada em um ponto menor que um comprimento de onda, os feixes de terahertz são grandes demais para sondar estruturas minúsculas com precisão. Em vez de revelar pequenos detalhes, eles tendem a eliminar padrões microscópicos.
Um novo avanço no microscópio terahertz
Num estudo publicado em NaturezaCientistas do MIT relatam uma solução. Eles criaram um novo tipo de microscópio terahertz que comprime essa luz de comprimento de onda longo em uma área extremamente pequena. Este feixe focado pode agora revelar características em escala quântica que antes estavam fora de alcance.
Usando esta ferramenta, a equipe investigou um material chamado óxido de bismuto-estrôncio-cálcio-cobre, ou BSCCO (pronuncia-se “BIS-co”), que se torna supercondutor em temperaturas relativamente altas. O microscópio permitiu observar um fluxo de elétrons sem atrito que se comporta como um “superfluido”, movendo-se juntos e oscilando em frequências terahertz no material.
“Este novo microscópio permite-nos agora ver um novo tipo de eletrão supercondutor que ninguém nunca viu antes”, diz Nuh Gedik, Donner Professor de Física no MIT.
Por que esta revelação 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 materiais que podem emitir e detectar radiação terahertz.
Esses materiais poderiam desempenhar um papel fundamental em futuros sistemas sem fio operando em frequências terahertz, permitindo potencialmente uma transferência 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 o terahertz”, diz Alexander von Hoegen, 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 antenas ou receptores no futuro.”
A equipe de pesquisa também incluiu os cientistas do MIT Tommy Tai, Clifford Allington, Matthew Jung, Jacob Pettin, Alexander Kosak, Byungun Lee e Jeffrey Beach, bem como colaboradores da Universidade de Harvard, do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, do Instituto Max Planck para a Física de Sistemas Complexos e do Laboratório Nacional de Brookhaven.
Problema de limite de difração
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 tecidos, plástico, madeira e até mesmo através de paredes finas, semelhantes aos raios X.
Devido a essas vantagens, a radiação terahertz está sendo estudada para varreduras de segurança, imagens médicas e comunicações. Mas seu uso em microscopia tem sido limitado por uma limitação fundamental conhecida como limite de difração. Esta regra limita a precisão com que a luz pode separar detalhes com base no 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 você está basicamente medindo o ar ou o vácuo ao redor da amostra”, explica von Hoegen. “Você perderia todas essas fases quânticas que possuem assinaturas características no regime terahertz”.
Cruzando a fronteira com emissores spintrônicos
Para contornar esta limitação, os investigadores usaram emissores spintron, uma tecnologia mais recente que gera rajadas curtas de radiação terahertz. Esses emissores são feitos de camadas ultrafinas de metal empilhadas. Quando atingidos por um laser, eles causam uma reação em cadeia nos elétrons que cria pulsos de terahertz.
Ao colocar a amostra extremamente perto do emissor, a equipe capturou a luz em terahertz antes que ela pudesse se propagar. Isso comprimiu efetivamente a luz em uma região muito menor que seu comprimento de onda, permitindo contornar o limite de difração e revelar detalhes mais sutis.
Visualização do movimento quântico em supercondutores
A equipe construiu seu microscópio combinando emissores spintron com um espelho de Bragg, uma estrutura em camadas que filtra comprimentos de onda indesejados enquanto protege a amostra do laser usado para gerar a luz terahertz.
Eles testaram o sistema em uma amostra ultrafina de BSCCO, resfriando-o até próximo do zero absoluto para que entrasse em um estado supercondutor. Escaneando a amostra com um laser, eles enviaram pulsos de terahertz através dela e mediram como o sinal mudou.
“Vemos que o campo terahertz está fortemente distorcido com pequenas flutuações após o pulso principal”, diz von Hoegen. “Isso nos diz que algo na amostra está emitindo luz terahertz depois de ter sido sacudido pelo nosso pulso terahertz original.”
Análises posteriores revelaram que esses sinais se originam de oscilações coletivas naturais de elétrons supercondutores.
“É um gel supercondutor que vemos oscilar”, diz von Hoegen.
Uma nova janela para 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 investigar 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”, diz von Hogen. “Agora podemos ampliar de forma ressonante essa física interessante com nosso microscópio terahertz.”
Este trabalho foi apoiado em parte pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Fundação Gordon e Betty Moore.
