O tipo de luz usada para examinar os materiais pode revelar detalhes muito diferentes. A luz visível mostra o que está acontecendo na superfície, os raios X expõem o que está acontecendo no interior e o infravermelho detecta o calor emitido.
Agora, os pesquisadores do MIT deram um grande passo ao usar a luz terahertz para revelar vibrações de nível quântico dentro de materiais supercondutores. Esses movimentos sutis nunca foram observados diretamente antes.
O que há de único na luz terahertz
A radiação Terahertz situa-se entre as microondas e a luz infravermelha no espectro eletromagnético. Ele pulsa mais de um trilhão de vezes por segundo, correspondendo perfeitamente às vibrações naturais dos átomos e elétrons dentro do material. Em teoria, isto o torna um método ideal para estudar esses movimentos.
No entanto, existe um grande desafio. Os comprimentos de onda, ou a distância entre os picos repetidos de uma onda, são muito longos, atingindo centenas de micrômetros. Como a luz não pode ser focada em um ponto menor que seu comprimento de onda, os feixes de terahertz são grandes demais para detectar claramente estruturas minúsculas. Eles tendem a limpar amostras microscópicas em vez de revelar detalhes.
Novo avanço na microscopia terahertz
Num estudo publicado em naturezaos cientistas do MIT relatam uma solução. Eles criaram um novo tipo de microscópio terahertz que pode comprimir essa luz de comprimento de onda longo em uma área extremamente pequena. Este feixe focado agora pode detectar características em escala quântica anteriormente indetectáveis.
Usando esta ferramenta, a equipe examinou um material chamado óxido de bismuto, estrôncio, cálcio e cobre (BSCCO) (pronuncia-se “BIS-co”), que se torna supercondutor em temperaturas relativamente altas. O microscópio permitiu observar o fluxo sem atrito de elétrons, que se comportam como um “superfluido”, movendo-se juntos dentro do material e oscilando em frequências terahertz.
“Este novo microscópio permite-nos agora ver um novo padrão de electrões supercondutores que nunca vimos antes”, disse Nuh Gedik, Donner Professor de Física no MIT.
Por que esta descoberta é importante
Usar luz terahertz para estudar BSCCO e materiais semelhantes poderia ajudar os cientistas a entender melhor a supercondutividade e a se aproximar do desenvolvimento de supercondutores à temperatura ambiente. A tecnologia também poderia ajudar a identificar materiais que podem emitir e detectar radiação terahertz.
O material poderá desempenhar um papel fundamental em futuros sistemas sem fio operando em frequências terahertz, permitindo potencialmente uma transmissão de dados 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 nas frequências terahertz”, disse 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 microscópicos que poderiam servir como futuras antenas ou receptores.”
A equipe de pesquisa também incluiu os cientistas do MIT Tommy Tai, Clifford Allington, Matthew Yeung, Jacob Pettine, Alexander Kossak, Byunghun Lee e Geoffrey Beach, bem como colaboradores da Universidade de Harvard, do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, do Instituto Max Planck de 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 o tecido biológico. Ao mesmo tempo, pode penetrar em muitos materiais, incluindo tecido, plástico, madeira e até mesmo paredes finas, semelhantes aos raios X.
Devido a essas vantagens, a radiação terahertz está sendo explorada para uso em varreduras de segurança, imagens médicas e comunicações. Mas seu uso em microscopia é limitado por uma restrição fundamental chamada limite de difração. Esta regra limita a precisão com que a luz pode resolver detalhes com base em seu comprimento de onda.
Como os comprimentos de onda terahertz são muito maiores que os átomos e moléculas, eles muitas vezes não conseguem resolver características microscópicas.
“Nossa principal motivação foi resolver este problema, onde você pode ter uma amostra de 10 mícrons, mas a luz terahertz tem um comprimento de onda de 100 mícrons, então você está medindo principalmente o ar ou o vácuo ao redor da amostra”, explica von Hoegen. “Você sente falta de todas essas fases quânticas que têm uma impressão digital característica na região dos terahertz.”
Superando limites com emissores spintrônicos
Para superar essa limitação, os pesquisadores utilizaram emissores spintrônicos, uma nova tecnologia que gera pulsos curtos de radiação terahertz. Esses emissores são feitos de camadas metálicas ultrafinas empilhadas. Quando iluminados por lasers, eles desencadeiam uma reação em cadeia de elétrons, produzindo pulsos de terahertz.
Ao colocar a amostra muito perto do emissor, a equipe capturou a luz em terahertz antes que ela se difunde. Isso comprime efetivamente a luz em uma região muito menor que seu comprimento de onda, permitindo que ela contorne o limite de difração e revele detalhes mais sutis.
Imagens de movimento quântico em supercondutores
A equipe construiu o microscópio combinando um emissor de elétrons de spin com um espelho de Bragg, uma estrutura em camadas que filtra comprimentos de onda indesejados enquanto protege a amostra dos lasers usados para gerar luz terahertz.
Eles testaram o sistema em amostras ultrafinas de BSCCO, resfriando-as até perto do zero absoluto e, assim, entrando em um estado supercondutor. Ao escanear a amostra com um laser, eles enviaram pulsos de terahertz para a amostra e mediram as mudanças no sinal.
“Vemos uma distorção acentuada do campo terahertz, quase sem oscilações após o pulso principal”, disse von Hegen. “Isso nos diz que algo na amostra está emitindo luz terahertz após ser estimulado pelo nosso pulso inicial de terahertz.”
Análises posteriores mostraram que os sinais vieram das oscilações coletivas naturais dos elétrons supercondutores.
“O que estamos vendo é este gel supercondutor”, disse von Hogan.
Uma nova janela para os fenômenos quânticos
Embora os cientistas tenham previsto este movimento, ele nunca foi observado diretamente até agora. A equipe já aplicou 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 Hogan. “Agora podemos amplificar de forma ressonante esses fenômenos físicos interessantes usando microscopia terahertz.”
Este trabalho foi apoiado em parte pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Fundação Gordon e Betty Moore.
