MIT 물리학자 팀은 오랫동안 불가능하다고 여겨졌던 위업을 달성했습니다. 그들은 초고속 양자 규모에서 초전도 전자의 움직임을 들여다볼 수 있었습니다. 연구원들은 초당 수조 개의 진동 주파수로 방출되는 테라헤르츠 광 펄스를 기반으로 한 새로운 현미경을 사용하여 이전에 직접 관찰된 적이 없는 "원자 수준의 춤"을 처음으로 포착했습니다.

이번 혁신은 여러 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 인간이 양자 규모에서 초전도의 행동 메커니즘을 더 잘 이해할 수 있다면 상온 초전도 물질의 개발이 가속화되어 전력망 전송, 양자 컴퓨팅, 자기 부상 수송과 같은 분야에서 획기적인 개선을 가져올 수 있습니다. 동시에 이 테라헤르츠 기술 자체도 큰 잠재력을 갖고 있다. 전례 없는 고주파수로 신호를 보내고 받을 수 있어 미래 무선 통신, 감지 장비 및 차세대 전자 시스템에서 초고속 데이터 전송을 촉진할 것으로 예상됩니다.

관련 결과는 저널 "Nature"에 게재되었습니다. 실험 대상은 상대적으로 높은 온도에서 손실 없이 전기를 전도할 수 있는 '비스무스 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO)'이라는 구리 기반 고온 초전도 물질이다. 연구자들이 정밀하게 조정된 테라헤르츠 펄스로 물질을 조명했을 때, 내부의 전자는 들어오는 테라헤르츠 빛과 정확히 동일한 주파수로 진동하면서 집합적인 방식으로 움직이기 시작했습니다. MIT 물리학자 Nuh Gedik은 이전에 포착되지 않았던 이러한 현상을 "초전도 전자의 새로운 모드"라고 부릅니다.

이러한 관찰을 달성하기 위한 핵심은 일반적으로 길이가 수백 마이크로미터에 달하는 테라헤르츠 방사선을 양자 물질 규모까지 "압착"할 수 있는 새로운 테라헤르츠 현미경입니다. 테라헤르츠파는 전자기 스펙트럼에서 마이크로파와 적외선 사이에 위치하며 이미징 분야에서 "최적 지점"으로 간주됩니다. 테라헤르츠파는 강력한 투과력을 갖는 비이온화 방사선이며, 발진 주파수는 원자 및 전자의 자연적인 진동 리듬과 매우 일치합니다. 하지만 그 전에는 테라헤르츠파를 사용하여 작은 구조물을 관찰하는 것이 거의 불가능했습니다. 근본적인 장애물은 "회절 한계"에 있습니다. 빔은 자체 파장보다 작은 규모로 초점을 맞출 수 없습니다.

MIT 박사후 연구원 Alexander von Hoegen과 동료들은 이 한계를 뛰어넘는 방법을 찾았습니다. 그들은 레이저 광을 조사할 때 극도로 날카로운 테라헤르츠 펄스를 생성하는 층상 금속 구조인 스핀트로닉 이미터를 사용했습니다. 마이크로미터 크기의 샘플을 방출 소스에 매우 가깝게 배치함으로써 팀은 빔이 바깥으로 퍼지기 전에 빔을 "가두어" 파장보다 훨씬 작은 영역에 에너지를 집중시켰습니다. 이 강력한 공간 제한 효과를 통해 현미경은 기존 테라헤르츠 조명에서는 완전히 보이지 않는 세부 사항을 확인할 수 있습니다.

이 디자인은 또한 목표 테라헤르츠 주파수 대역만 통과시키면서 원치 않는 빛을 필터링하는 여러 개의 초박형 반사층으로 구성된 브래그 반사기와 이미터를 통합합니다. 이러한 구조는 연구원들이 포착하고자 하는 고주파 테라헤르츠 신호를 그대로 보존하면서 광학 레이저에 의한 손상으로부터 깨지기 쉬운 샘플을 보호할 수 있습니다.

첫 번째 실험에서 연구진은 BSCCO 샘플을 절대 영도에 가깝게 냉각시켜 초전도 상태로 만들었습니다. 테라헤르츠 펄스가 극저온 물질을 통과할 때 감지기는 복귀 장에서 약하고 규칙적인 진동을 포착했습니다. 이는 전자가 "마찰 없는 유체"처럼 내부에서 집합적으로 이동하고 있다는 신호입니다. 그런 다음 팀은 측정된 신호를 이론 모델과 비교하여 처음으로 양자 초유체 운동 자체를 실제로 이미지화했음을 확인했습니다. "우리가 보는 것은 약간 흔들리는 초전도 젤 공과 같습니다." Von Hegen이 설명했습니다.

이 시각화는 초전도체 내부의 양자 역학을 이해하는 새로운 창을 열어줍니다. 과학자들은 전자가 더 높은 온도에서 이러한 "협력적 마찰 없는" 상태를 유지할 수 있게 하는 핵심 요소를 더욱 명확히 하여 물리학 및 에너지 기술 분야의 장기 목표인 실온 초전도 실현에 대한 단서를 제공할 수 있기를 희망합니다.

Von Hegen은 테라헤르츠 현미경의 중요성이 기본적인 물리학 연구 그 이상이라고 믿습니다. 미래에는 나노크기 안테나나 센서의 신호 전파를 연구하는 데에도 사용할 수 있습니다. 이러한 장치는 테라헤르츠 대역 통신 기술을 위해 설계된 후보이며 오늘날의 Wi-Fi 및 밀리미터파 시스템 이후 차세대 통신 분야로 간주됩니다. 그는 “업계에서는 이제 Wi-Fi 및 통신 시스템을 테라헤르츠 주파수 대역으로 적극적으로 홍보하고 있습니다. 테라헤르츠 현미경을 가지고 있으면 테라헤르츠 빛이 미세한 장치와 어떻게 상호 작용하는지 직접 관찰할 수 있으며 이러한 장치는 미래에 차세대 안테나 또는 수신기가 될 가능성이 높습니다.”라고 지적했습니다.

이 새로운 현미경을 사용하여 팀은 테라헤르츠 주파수 대역에서 고유한 내부 진동 모드를 기록하기를 희망하면서 이상한 전자 동작을 갖는 더 많은 2차원 재료로 연구를 확장할 계획입니다. 연구자들은 각 실험을 통해 전자 세계에서 마찰이 "사라질" 때 전자가 어떻게 함께 작용하며 이것이 전자 재료 및 장치의 미래를 어떻게 바꿀 것인지에 대한 핵심 질문에 대한 답에 더 가까워졌다고 말합니다.