حقق فريق من علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) إنجازًا كان يُعتقد منذ فترة طويلة أنه مستحيل: فقد تمكنوا من النظر في حركة الإلكترونات فائقة التوصيل على المقاييس الكمومية فائقة السرعة. استخدم الباحثون مجهرًا جديدًا يعتمد على نبضات ضوء تيراهيرتز - والتي تشع بترددات تريليونات من التذبذبات في الثانية - لالتقاط "رقصة المستوى الذري" لأول مرة والتي لم يتم ملاحظتها بشكل مباشر من قبل.
ومن المتوقع أن يكون لهذا الاختراق تأثير عميق على العديد من الصناعات. إذا تمكن البشر من فهم الآلية السلوكية للموصلية الفائقة على المستوى الكمي بشكل أفضل، فقد يؤدي ذلك إلى تسريع تطوير المواد فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة، وبالتالي إحداث تحسينات مدمرة في مجالات مثل نقل شبكات الطاقة، والحوسبة الكمومية، والنقل بالارتفاع المغناطيسي. وفي الوقت نفسه، تتمتع تقنية تيراهيرتز نفسها أيضًا بإمكانات كبيرة. ويمكنه إرسال واستقبال الإشارات بترددات عالية غير مسبوقة، ومن المتوقع أن يعزز نقل البيانات بسرعة فائقة في الاتصالات اللاسلكية المستقبلية، ومعدات الاستشعار، والأنظمة الإلكترونية من الجيل الجديد.
وقد نشرت النتائج ذات الصلة في مجلة "الطبيعة". الجسم التجريبي عبارة عن مادة فائقة التوصيل تعتمد على النحاس وتتحمل درجات حرارة عالية وتُسمى "أكسيد النحاس البزموت السترونتيوم والكالسيوم" (BSCCO)، والتي يمكنها توصيل الكهرباء دون فقدان عند درجات حرارة عالية نسبيًا. عندما أضاء الباحثون المادة بنبضات تيراهيرتز مضبوطة بدقة، بدأت الإلكترونات الموجودة بداخلها تتحرك بطريقة جماعية، وتهتز بنفس تردد ضوء تيراهيرتز الوارد. يطلق عالم الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، نوه جيديك، على هذا السلوك الذي لم يتم اكتشافه سابقًا اسم "نمط جديد من الإلكترونات فائقة التوصيل".
المفتاح لتحقيق هذه الملاحظة هو مجهر تيراهيرتز جديد يمكنه "ضغط" إشعاع تيراهيرتز، والذي يبلغ طوله عادة مئات الميكرومترات، وصولاً إلى حجم المواد الكمومية. تقع موجات تيراهيرتز بين الموجات الدقيقة والأشعة تحت الحمراء في الطيف الكهرومغناطيسي وتعتبر "البقعة الحلوة" في مجال التصوير: فهي إشعاعات غير مؤينة ذات قوة اختراق قوية، ويتوافق تردد تذبذبها بشكل كبير مع إيقاع الاهتزاز الطبيعي للذرات والإلكترونات. ولكن قبل ذلك، كان من الصعب استخدام موجات تيراهيرتز لمراقبة الهياكل الصغيرة. تكمن العقبة الأساسية في "حد الحيود" - حيث لا يمكن تركيز الحزمة على نطاق أصغر من طول موجتها.
وقد وجد ألكسندر فون هوجن، باحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وزملاؤه طريقة لتجاوز هذا الحد. استخدموا باعثًا إلكترونيًا سبينترونيًا، وهو عبارة عن هيكل معدني متعدد الطبقات ينتج نبضات تيراهيرتز حادة للغاية عند إضاءته بضوء الليزر. ومن خلال وضع عينات بحجم ميكرومتر قريبة جدًا من مصدر الانبعاث، قام الفريق "باحتجاز" الشعاع قبل أن يتاح له الوقت للانتشار إلى الخارج، مع تركيز الطاقة على منطقة أصغر بكثير من الطول الموجي. يسمح تأثير الحبس المكاني القوي هذا للمجهر بتحليل التفاصيل غير المرئية تمامًا تحت إضاءة تيراهيرتز التقليدية.
يدمج التصميم أيضًا الباعث مع عاكس Bragg، الذي يتكون من عدة طبقات عاكسة رفيعة جدًا تعمل على تصفية الضوء غير المرغوب فيه أثناء تمرير نطاق تردد تيراهيرتز المستهدف فقط. يمكن لمثل هذا الهيكل أن يحمي العينات الهشة من التلف الناتج عن أشعة الليزر الضوئية، مع الحفاظ بشكل سليم على إشارات تيراهيرتز عالية التردد التي يأمل الباحثون في التقاطها.
في التجربة الأولى، قام الباحثون بتبريد عينة من BSCCO إلى درجة قريبة من الصفر المطلق، مما أدى إلى دخولها في حالة التوصيل الفائق. ومع مرور نبضات تيراهيرتز عبر المادة المبردة، التقطت أجهزة الكشف تذبذبات ضعيفة ومنتظمة في مجال العودة، وهي إشارة إلى أن الإلكترونات كانت تتحرك بشكل جماعي في الداخل، مثل "سائل عديم الاحتكاك". ثم قارن الفريق هذه الإشارات المقاسة مع النماذج النظرية، مؤكدين أنهم قاموا بالفعل بتصوير حركة السوائل الكمومية الفائقة نفسها لأول مرة. "ما نراه يشبه كرة من مادة هلامية فائقة التوصيل تهتز قليلاً." وصفها فون هيجن.
يفتح هذا التصور نافذة جديدة لفهم ديناميكيات الكم داخل الموصلات الفائقة. ويأمل العلماء في زيادة توضيح العوامل الرئيسية التي تسمح للإلكترونات بالحفاظ على هذه الحالة "التعاونية الخالية من الاحتكاك" عند درجات حرارة أعلى، وبالتالي توفير أدلة لتحقيق الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة، وهو هدف طويل المدى في مجال الفيزياء وتكنولوجيا الطاقة.
يعتقد فون هيجن أن أهمية مجهر تيراهيرتز تتجاوز أبحاث الفيزياء الأساسية. وفي المستقبل، يمكن استخدامه أيضًا لدراسة انتشار الإشارة في الهوائيات أو أجهزة الاستشعار النانوية. هذه الأجهزة مرشحة مصممة لتقنية اتصالات نطاق تيراهيرتز وتعتبر بمثابة حدود اتصالات الجيل التالي بعد أنظمة Wi-Fi والموجات المليمترية الحالية. وأشار: "تعمل الصناعة الآن بقوة على الترويج لأنظمة الواي فاي وأنظمة الاتصالات إلى نطاق تردد تيراهيرتز. إذا كان لديك مجهر تيراهيرتز، يمكنك ملاحظة مباشرة كيفية تفاعل ضوء تيراهيرتز مع الأجهزة المجهرية، ومن المرجح أن تصبح هذه الأجهزة جيلا جديدا من الهوائيات أو أجهزة الاستقبال في المستقبل".
ومع استخدام هذا المجهر الجديد، يخطط الفريق لتوسيع أبحاثهم لتشمل المزيد من المواد ثنائية الأبعاد ذات السلوكيات الإلكترونية الغريبة، على أمل تسجيل أوضاع اهتزازها الداخلي الفريدة في نطاق تردد تيراهيرتز. يقول الباحثون إن كل تجربة تقربهم من إجابة السؤال الأساسي: كيف تتصرف الإلكترونات معًا عندما "يختفي" الاحتكاك في العالم الإلكتروني، وكيف سيعيد هذا تشكيل مستقبل المواد والأجهزة الإلكترونية.