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2026-03-18 03:50:00
材料の検査に使用される光の種類によって、まったく異なる詳細が明らかになります。可視光は表面で何が起こっているかを示し、X 線は内部にあるものを明らかにし、赤外線は放出されている熱を検出します。
現在、MIT の研究者らは、テラヘルツ光を使用して超伝導材料内部の量子レベルの振動を明らかにすることで、大きな前進を遂げました。このような微妙な動きは、これまで直接観察されたことがありませんでした。
テラヘルツ光の特徴
テラヘルツ放射は、電磁スペクトル上のマイクロ波と赤外線の間に位置します。毎秒 1 兆回以上パルスし、物質内の原子と電子の自然振動に厳密に一致します。理論的には、これはそれらの動きを研究する理想的な方法になります。
ただし、大きな課題があります。波長、つまり波の繰り返しピーク間の距離は非常に長く、数百ミクロンにも達します。光はその波長より小さいスポットに集束できないため、テラヘルツ ビームは小さすぎる構造を明確に調査するには大きすぎます。微細な詳細を明らかにする代わりに、顕微鏡サンプルを洗い流す傾向があります。
テラヘルツ顕微鏡の新たな進歩
このツールを使用して、チームは、比較的高温で超電導になる、ビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（BSCCO、「BIS-co」と読みます）と呼ばれる材料を調べました。この顕微鏡を使用すると、物質内で一緒に移動し、テラヘルツ周波数で振動する、「超流体」のように振る舞う電子の摩擦のない流れを観察することができました。
「この新しい顕微鏡により、これまで誰も見たことのない新しいモードの超伝導電子を見ることができるようになりました」と、MIT のドナー物理学教授ヌー・ゲディク氏は述べています。
この発見がなぜ重要なのか
BSCCO や同様の材料をテラヘルツ光で研究することは、科学者が超伝導をより深く理解し、室温超伝導体の開発に近づくのに役立つ可能性があります。この技術は、テラヘルツ放射線を放出および検出できる材料の特定にも役立つ可能性がある。
このような材料は、テラヘルツ周波数で動作する将来の無線システムで重要な役割を果たす可能性があり、現在のマイクロ波ベースの技術よりもはるかに高速なデータ送信が可能になる可能性があります。
「Wi-Fiや電気通信を次のレベル、つまりテラヘルツ周波数に引き上げようとする大きな動きがあります」と、MIT材料研究所の博士研究員であり、この研究の筆頭著者であるアレクサンダー・フォン・ホーゲン氏は言う。 「テラヘルツ顕微鏡をお持ちであれば、将来のアンテナや受信機として機能する可能性のある顕微鏡的に小さなデバイスとテラヘルツ光がどのように相互作用するかを研究できるでしょう。」
研究チームには、MITの科学者トミー・タイ氏、クリフォード・アリントン氏、マシュー・ヤン氏、ジェイコブ・ペティン氏、アレクサンダー・コサック氏、ビョンフン・リー氏、ジェフリー・ビーチ氏のほか、ハーバード大学、マックス・プランク物質構造動力学研究所、マックス・プランク複雑系物理研究所、ブルックヘブン国立研究所の協力者も含まれていた。
回折限界問題
テラヘルツ光は、有用な中間点を占めるため、イメージングに有望であると長い間考えられてきました。電波や可視光と同様、非イオン性で生体組織にとって安全です。同時に、X線と同様に、布地、プラスチック、木材、さらには薄い壁など、多くの物質を透過します。
これらの利点のため、テラヘルツ放射線はセキュリティスキャン、医療画像処理、および通信のために研究されています。しかし、顕微鏡でのその使用は、回折限界として知られる基本的な制約によって制限されてきました。このルールは、光が波長に基づいて細部をどの程度細かく分解できるかを制限します。
テラヘルツの波長は原子や分子よりもはるかに長いため、通常は微細な特徴を分解できません。
「私たちの主な動機は、10ミクロンのサンプルがあるかもしれないが、テラヘルツ光の波長は100ミクロンであるため、主に測定しているのは空気、またはサンプルの周囲の真空であるという問題です」とフォン・ホーゲン氏は説明します。 「テラヘルツ領域では特徴的な痕跡を持つこれらの量子相をすべて見逃してしまうことになります。」
スピントロニクスエミッターで限界を克服する
この制限を回避するために、研究者らは、テラヘルツ放射の短いバーストを生成する新しい技術であるスピントロニックエミッターを使用しました。これらのエミッタは、極薄の金属層を積み重ねて作られています。レーザーが当たると、電子の連鎖反応が引き起こされ、テラヘルツパルスが生成されます。
サンプルをエミッタの非常に近くに配置することで、研究チームはテラヘルツ光が広がる前にそれを捕捉しました。これにより、光がその波長よりもはるかに小さい領域に効果的に圧縮され、回折限界を回避して、より微細な細部を明らかにできるようになりました。
超伝導体の量子運動のイメージング
研究チームは、スピントロニクスエミッターとブラッグミラーを組み合わせて顕微鏡を構築しました。ブラッグミラーは、テラヘルツ光の生成に使用されるレーザーからサンプルを保護しながら、不要な波長を除去する層状構造です。
彼らは、BSCCO の極薄サンプルでシステムをテストし、絶対零度近くまで冷却して超伝導状態にしました。サンプル全体にレーザーを走査することで、サンプルにテラヘルツパルスを送り、信号がどのように変化するかを測定しました。
「メインパルスの後に小さな振動があり、テラヘルツ場が劇的に歪んでいるのがわかります」とフォン・ホーゲン氏は言う。 「これは、最初のテラヘルツパルスによって刺激された後、サンプル内の何かがテラヘルツ光を放射していることを示しています。」
さらなる分析により、これらの信号は超伝導電子の自然な集団振動から来ていることが明らかになりました。
「私たちが揺れているのを見ているのは、この超伝導ゲルです」とフォン・ホーゲン氏は言う。
量子現象への新たな窓
科学者たちはこの種の動きを予測していましたが、これまで直接観測されたことはありませんでした。研究チームはすでにこの顕微鏡を他の二次元材料に適用して、さらなるテラヘルツスケールの効果を調査している。
「格子振動や磁気プロセスなどの基本的な励起がたくさんあり、テラヘルツ周波数で発生するこれらすべての集合モードがあります」とフォン・ホーゲン氏は言う。 「テラヘルツ顕微鏡を使って、これらの興味深い物理学を共鳴的にズームインできるようになりました。」
この研究は、米国エネルギー省とゴードン＆ベティ・ムーア財団の一部によって支援されました。
#MITの科学者は超伝導体内で隠れた量子が揺れていることをついに発見した