Il microscopio terahertz del MIT rivela per la prima volta il “tremolio” quantistico nei superconduttori
Esiste un tipo di luce che fino a poco tempo fa nessuno riusciva a domare abbastanza da renderla utile per la microscopia. Si chiama luce terahertz, e un gruppo di fisici del MIT ha appena trovato il modo di comprimerla in uno spazio incredibilmente piccolo, tanto da riuscire a osservare qualcosa che nessuno aveva mai visto: il movimento collettivo degli elettroni superconduttori che oscillano insieme, come una sorta di gelatina quantistica che vibra. La scoperta, pubblicata sulla rivista Nature, apre scenari importanti sia per la comprensione della superconduttività sia per il futuro delle comunicazioni wireless ad altissima velocità.
La radiazione terahertz si colloca tra le microonde e l’infrarosso nello spettro elettromagnetico. Pulsa oltre mille miliardi di volte al secondo, una frequenza che corrisponde quasi perfettamente alle vibrazioni naturali di atomi ed elettroni nei materiali. Sulla carta, sarebbe lo strumento perfetto per studiare quei movimenti. Il problema, però, è sempre stato pratico: la lunghezza d’onda della luce terahertz è enorme rispetto alle strutture da analizzare, centinaia di micron. E una regola fondamentale della fisica ottica, il cosiddetto limite di diffrazione, impedisce di focalizzare la luce in un punto più piccolo della sua lunghezza d’onda. Il risultato? Il fascio finisce per “coprire” tutto il campione senza distinguere nulla di utile.
Come funziona il nuovo microscopio terahertz
Per aggirare questo ostacolo, il team del MIT ha utilizzato i cosiddetti emettitori spintronici, una tecnologia relativamente recente basata su strati metallici ultrasottili impilati. Quando un laser colpisce questi strati, si innesca una reazione a catena negli elettroni che genera impulsi terahertz brevissimi. Il trucco sta nel posizionare il campione vicinissimo all’emettitore, catturando la luce prima che abbia il tempo di disperdersi. In questo modo si riesce a comprimere il fascio in una regione molto più piccola della sua lunghezza d’onda, bypassando di fatto il limite di diffrazione.
Il microscopio è stato poi completato con uno specchio di Bragg, una struttura a strati che filtra le lunghezze d’onda indesiderate e protegge il campione dal laser. Con questo setup, i ricercatori hanno esaminato un materiale chiamato ossido di bismuto, stronzio, calcio e rame (noto con la sigla BSCCO, pronunciata “bisco”), un superconduttore ad alta temperatura. Raffreddandolo fino a temperature prossime allo zero assoluto, hanno osservato gli elettroni muoversi senza attrito come un superfluido, oscillando alle frequenze terahertz.
“Questo nuovo microscopio ci permette di vedere una modalità degli elettroni superconduttori che nessuno aveva mai osservato prima”, ha dichiarato Nuh Gedik, professore di fisica al MIT.
Perché questa scoperta conta davvero
Studiare materiali come il BSCCO con la luce terahertz potrebbe accelerare la corsa verso i superconduttori a temperatura ambiente, uno dei traguardi più ambiti della fisica moderna. Ma non è tutto. La stessa tecnologia potrebbe aiutare a identificare materiali capaci di emettere e rilevare radiazione terahertz, componenti essenziali per i futuri sistemi di comunicazione wireless a frequenze terahertz, potenzialmente molto più veloci delle attuali reti basate sulle microonde.
“C’è una spinta enorme per portare il Wi Fi e le telecomunicazioni al livello successivo, alle frequenze terahertz”, ha spiegato Alexander von Hoegen, primo autore dello studio. “Con un microscopio terahertz si potrebbe studiare come questa luce interagisce con dispositivi microscopici che un giorno potrebbero funzionare come antenne o ricevitori.”
Il team sta già applicando il microscopio ad altri materiali bidimensionali per esplorare ulteriori effetti su scala terahertz. Vibrazioni reticolari, processi magnetici, modi collettivi: tutto ciò che accade a queste frequenze diventa ora osservabile con una risoluzione prima impensabile. La ricerca è stata sostenuta dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla Gordon and Betty Moore Foundation.
