Un equipo de físicos del MIT ha logrado una hazaña que durante mucho tiempo se consideró casi imposible: han logrado observar el movimiento de electrones superconductores a escalas cuánticas ultrarrápidas. Los investigadores utilizaron un nuevo microscopio basado en pulsos de luz de terahercios, que irradian a frecuencias de billones de oscilaciones por segundo, para capturar por primera vez una "danza a nivel atómico" que nunca antes se había observado directamente.
Se espera que este avance tenga un profundo impacto en múltiples industrias. Si los humanos pueden comprender mejor el mecanismo de comportamiento de la superconductividad a escala cuántica, se podría acelerar el desarrollo de materiales superconductores a temperatura ambiente, lo que generaría mejoras disruptivas en campos como la transmisión por redes eléctricas, la computación cuántica y el transporte por levitación magnética. Al mismo tiempo, esta tecnología de terahercios también tiene un gran potencial. Puede enviar y recibir señales a frecuencias altas sin precedentes y se espera que promueva la transmisión de datos a velocidad ultrarrápida en futuras comunicaciones inalámbricas, equipos de detección y sistemas electrónicos de nueva generación.
Los resultados relevantes se han publicado en la revista "Nature". El objeto experimental es un material superconductor de alta temperatura a base de cobre llamado "óxido de cobre, calcio, bismuto, estroncio" (BSCCO), que puede conducir electricidad sin pérdidas a temperaturas relativamente altas. Cuando los investigadores iluminaron el material con pulsos de terahercios sintonizados con precisión, los electrones del interior comenzaron a moverse de manera colectiva, vibrando exactamente a la misma frecuencia que la luz de terahercios entrante. El físico del MIT Nuh Gedik llama a este comportamiento no captado previamente "un nuevo modo de superconducción de electrones".
La clave para lograr esta observación es un nuevo microscopio de terahercios que puede "exprimir" la radiación de terahercios, que suele tener cientos de micrómetros de largo, hasta la escala de los materiales cuánticos. Las ondas de terahercios se encuentran en el espectro electromagnético entre las microondas y el infrarrojo y se consideran el "punto óptimo" en el campo de la imagen: son radiaciones no ionizantes con un fuerte poder de penetración y su frecuencia de oscilación se adapta perfectamente al ritmo de vibración natural de los átomos y los electrones. Pero antes de eso, las ondas de terahercios difícilmente podían usarse para observar estructuras diminutas. El obstáculo fundamental residía en el "límite de difracción": el haz no podía enfocarse a una escala menor que su propia longitud de onda.
El investigador postdoctoral del MIT Alexander von Hoegen y sus colegas encontraron una manera de superar este límite. Utilizaron un emisor espintrónico, una estructura metálica en capas que produce pulsos de terahercios extremadamente agudos cuando se ilumina con luz láser. Al colocar muestras del tamaño de un micrómetro extremadamente cerca de la fuente de emisión, el equipo "atrapó" el haz antes de que tuviera tiempo de extenderse hacia afuera, enfocando la energía en una región mucho más pequeña que la longitud de onda. Este fuerte efecto de confinamiento espacial permite que el microscopio resuelva detalles que son completamente invisibles bajo la iluminación tradicional de terahercios.
El diseño también integra el emisor con un reflector Bragg, que se compone de múltiples capas reflectantes ultrafinas que filtran la luz no deseada mientras pasan solo por la banda de frecuencia de terahercios objetivo. Una estructura de este tipo puede proteger muestras frágiles del daño causado por láseres ópticos y al mismo tiempo preservar intactas las señales de terahercios de alta frecuencia que los investigadores esperan capturar.
En el primer experimento, los investigadores enfriaron una muestra de BSCCO hasta cerca del cero absoluto, provocando que entrara en un estado superconductor. A medida que los pulsos de terahercios pasaban a través del material criogénico, los detectores captaron oscilaciones débiles y regulares en el campo de retorno, una señal de que los electrones se movían colectivamente en el interior, como un "fluido sin fricción". Luego, el equipo comparó estas señales medidas con modelos teóricos, confirmando que realmente habían obtenido imágenes del movimiento cuántico del superfluido por primera vez. "Lo que vemos es como una bola de gel superconductor que tiembla ligeramente". Von Hegen lo describió.
Esta visualización abre una nueva ventana para comprender la dinámica cuántica dentro de los superconductores. Los científicos esperan aclarar aún más los factores clave que permiten a los electrones mantener este estado "cooperativo sin fricción" a temperaturas más altas, proporcionando así pistas para la realización de la superconductividad a temperatura ambiente, un objetivo a largo plazo en el campo de la física y la tecnología energética.
Von Hegen cree que la importancia de la microscopía de terahercios va mucho más allá de la investigación en física básica. En el futuro, también se podrá utilizar para estudiar la propagación de señales en antenas o sensores a nanoescala. Estos dispositivos son candidatos diseñados para tecnología de comunicación de banda de terahercios y se consideran la frontera de comunicación de próxima generación después de los sistemas Wi-Fi y de ondas milimétricas actuales. Señaló: "La industria ahora está promoviendo vigorosamente los sistemas de comunicación y Wi-Fi en la banda de frecuencia de terahercios. Si se tiene un microscopio de terahercios, se puede observar directamente cómo la luz de terahercios interactúa con dispositivos microscópicos, y es probable que estos dispositivos se conviertan en una nueva generación de antenas o receptores en el futuro".
Con este nuevo microscopio en uso, el equipo planea expandir su investigación a más materiales bidimensionales con comportamientos electrónicos extraños, con la esperanza de registrar sus modos de vibración interna únicos en la banda de frecuencia de terahercios. Los investigadores dicen que cada experimento los acerca a la respuesta a una pregunta central: ¿Cómo actúan juntos los electrones cuando la fricción "desaparece" en el mundo electrónico, y cómo esto remodelará el futuro de los materiales y dispositivos electrónicos?