Granica dyfrakcji od dawna stanowiła mur nie do przeskoczenia dla badaczy chcących badać mikroświat przy pomocy promieniowania terahercowego. Fale te, zajmujące w spektrum elektromagnetycznym miejsce między mikrofalami a podczerwienią, są po prostu zbyt duże, by precyzyjnie badać bardzo małe obiekty. Wyobraźmy sobie próbę napisania precyzyjnego tekstu mazakiem o grubości kilku centymetrów – efekt byłby rozmyty i nieczytelny. Podobny problem dotyczył świata nauki, aż do teraz.
Problem z falami terahercowymi został wreszcie rozwiązany
Promieniowanie terahercowe oscyluje z niewyobrażalną częstotliwością, przekraczającą bilion cykli na sekundę. Jego naturalna długość fali sięga setek mikrometrów, co uniemożliwiało skupienie go na próbkach o rozmiarach rzędu dziesiątek mikrometrów. W praktyce, podczas takich badań, światło oddziaływało głównie z otoczeniem próbki, a nie z nią samą. Zespół z MIT znalazł na to sposób, wykorzystując emiter spintroniczny – urządzenie generujące niezwykle ostre impulsy tego światła. Trik polegał na umieszczeniu badanej próbki ekstremalnie blisko źródła emisji, zanim impuls zdążył się rozproszyć. Dodatkowo, zastosowanie lustra Bragga jako filtra optycznego pozwoliło wyselekcjonować tylko pożądane długości fal.
Czytaj także: Trzy rzeczy, które zabijają kwanty i jeden pomysł, by to zatrzymać
Zaobserwowano dwuwymiarowy plazmon nadciekły w nadprzewodniku
Jako poligon doświadczalny posłużył nadprzewodnik wysokotemperaturowy BSCCO, czyli tlenek bizmutu, strontu, wapnia i miedzi. Materiał ten schłodzono do temperatur bliskich zeru absolutnemu, gdzie przechodzi w stan nadprzewodzący. Gdy oświetlono go ściśniętym impulsem terahercowym, zaobserwowano coś niezwykłego. Po głównym piku pojawiły się małe, charakterystyczne oscylacje. Był to sygnał, że coś wewnątrz materiału samo zaczęło emitować światło terahercowe. Jak opisano w publikacji, naukowcy zobaczyli beztarciowe medium z nadprzewodzących elektronów poruszających się synchronicznie.
Zaobserwowane zjawisko to tzw. dwuwymiarowy plazmon nadciekły – zbiorowe drgania ładunku elektrycznego w płaszczyźnie materiału. Teoretycy przewidywali jego istnienie od lat, ale bezpośredni dowód udało się uzyskać dopiero teraz. Co kluczowe, zjawisko to pojawia się wyłącznie w fazie nadprzewodzącej i tylko w cienkich, dwuwymiarowych warstwach materiału, co potwierdza jego fundamentalny związek z naturą nadprzewodnictwa w BSCCO. To trochę jak odkrycie, że pewien specyficzny dźwięk wydaje wyłącznie perfekcyjnie nastrojony instrument.
Lepsze zrozumienie to krok w stronę nadprzewodników w temperaturze pokojowej
Odkrycie to, choć fundamentalne, przybliża nas do jednego z największych marzeń fizyki materiałowej: nadprzewodnika działającego w temperaturze pokojowej. Materiał taki zrewolucjonizowałby niemal każdą dziedzinę techniki, od medycyny po transport, eliminując ogromne straty energii. Trzeba jednak zachować trzeźwość umysłu – droga do tego celu jest wciąż długa i wyboista. Każde nowe narzędzie, takie jak mikroskop z MIT, które pozwala lepiej zrozumieć mechanizmy rządzące znanymi już nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi, jest nieocenione. To jak otrzymanie nowego, potężniejszego szkła powiększającego do badania mapy, która ma nas doprowadzić do skarbu.
Teraherce mogą zastąpić gigaherce w komunikacji
Nowa technika ma zastosowania wykraczające daleko poza badanie egzotycznych materiałów. Promieniowanie terahercowe jest bezpieczne dla tkanek biologicznych, a jednocześnie przenika przez wiele materiałów, co czyni je idealnym kandydatem do zaawansowanych systemów skanowania. Jednak prawdziwą rewolucję może przynieść w komunikacji bezprzewodowej. Obecne sieci Wi-Fi i komórkowe operują w zakresie gigaherców. Przejście na teraherce otworzyłoby tysiąckrotnie szersze pasmo, umożliwiając przesyłanie danych z prędkościami, o których dziś możemy tylko marzyć. Problemem było projektowanie mikroskopijnych komponentów działających w tym zakresie. Teraz, gdy naukowcy mogą bezpośrednio obserwować, jak terahercowe światło oddziałuje z strukturami na poziomie mikronów, projektowanie takich układów stanie się znacznie prostsze.
Czytaj także: Nowa era w projektowaniu elektroniki. Chińczycy zobaczyli to, co dotąd było tylko teorią
Badania, opublikowane 4 lutego 2026 roku w czasopiśmie „Nature”, były finansowane m.in. przez Departament Energii USA. Pokazują one, że czasami przełom nie polega na zbudowaniu większego młota, ale na znalezieniu sposobu, by dotrzeć nim dokładnie w jedno, konkretne miejsce. Zespół z MIT planuje teraz wykorzystać swoje narzędzie do badania innych dwuwymiarowych materiałów i zjawisk kwantowych. Możliwość podglądania świata w skali, gdzie rządzą prawa mechaniki kwantowej, przy użyciu światła terahercowego, otwiera nowy rozdział w fizyce materii skondensowanej. To obiecujący kierunek, choć warto pamiętać, że od obietnicy do powszechnej technologii wiedzie długa i kosztowna droga.