एमआईटी भौतिकविदों की एक टीम ने एक उपलब्धि हासिल की है जिसे लंबे समय से लगभग असंभव माना जाता था: वे अल्ट्राफास्ट, क्वांटम स्केल पर सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनों की गति को समझने में कामयाब रहे हैं। शोधकर्ताओं ने टेराहर्ट्ज़ प्रकाश दालों पर आधारित एक नए माइक्रोस्कोप का उपयोग किया - जो प्रति सेकंड खरबों दोलनों की आवृत्तियों पर विकिरण करता है - पहली बार "परमाणु-स्तर के नृत्य" को पकड़ने के लिए जिसे पहले कभी प्रत्यक्ष रूप से नहीं देखा गया था।
इस सफलता से कई उद्योगों पर गहरा प्रभाव पड़ने की उम्मीद है। यदि मनुष्य क्वांटम पैमाने पर सुपरकंडक्टिविटी के व्यवहार तंत्र को बेहतर ढंग से समझ सकते हैं, तो यह कमरे के तापमान वाले सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों के विकास में तेजी ला सकता है, जिससे पावर ग्रिड ट्रांसमिशन, क्वांटम कंप्यूटिंग और चुंबकीय उत्तोलन परिवहन जैसे क्षेत्रों में विघटनकारी सुधार आ सकते हैं। वहीं, इस टेराहर्ट्ज़ तकनीक में भी काफी संभावनाएं हैं। यह अभूतपूर्व उच्च आवृत्तियों पर सिग्नल भेज और प्राप्त कर सकता है, और भविष्य के वायरलेस संचार, सेंसिंग उपकरण और नई पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम में अल्ट्रा-हाई-स्पीड डेटा ट्रांसमिशन को बढ़ावा देने की उम्मीद है।
प्रासंगिक परिणाम "नेचर" पत्रिका में प्रकाशित किए गए हैं। प्रायोगिक वस्तु "बिस्मथ स्ट्रोंटियम कैल्शियम कॉपर ऑक्साइड" (बीएससीसीओ) नामक तांबा आधारित उच्च तापमान वाली सुपरकंडक्टिंग सामग्री है, जो अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर बिना किसी नुकसान के बिजली का संचालन कर सकती है। जब शोधकर्ताओं ने सटीक रूप से ट्यून किए गए टेराहर्ट्ज़ दालों के साथ सामग्री को रोशन किया, तो अंदर के इलेक्ट्रॉनों ने सामूहिक तरीके से चलना शुरू कर दिया, जो आने वाले टेराहर्ट्ज़ प्रकाश के समान आवृत्ति पर कंपन कर रहे थे। एमआईटी के भौतिक विज्ञानी नुह गेदिक इस पहले से अनकैप्ड व्यवहार को "सुपरकंडक्टिंग इलेक्ट्रॉनों का एक नया तरीका" कहते हैं।
इस अवलोकन को प्राप्त करने की कुंजी एक नया टेराहर्ट्ज़ माइक्रोस्कोप है जो टेराहर्ट्ज़ विकिरण को "निचोड़" सकता है, जो आमतौर पर क्वांटम सामग्री के पैमाने तक सैकड़ों माइक्रोमीटर लंबा होता है। टेराहर्ट्ज़ तरंगें विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम में माइक्रोवेव और अवरक्त के बीच स्थित होती हैं और इमेजिंग के क्षेत्र में "मीठा स्थान" माना जाता है: वे मजबूत मर्मज्ञ शक्ति के साथ गैर-आयनीकरण विकिरण हैं, और उनकी दोलन आवृत्ति परमाणुओं और इलेक्ट्रॉनों की प्राकृतिक कंपन लय से काफी मेल खाती है। लेकिन इससे पहले, छोटी संरचनाओं का निरीक्षण करने के लिए टेराहर्ट्ज़ तरंगों का उपयोग शायद ही किया जा सकता था। मूलभूत बाधा "विवर्तन सीमा" में थी - किरण को अपनी तरंग दैर्ध्य से छोटे पैमाने पर केंद्रित नहीं किया जा सकता था।
एमआईटी के पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता अलेक्जेंडर वॉन होगेन और उनके सहयोगियों ने इस सीमा को आगे बढ़ाने का एक तरीका खोजा। उन्होंने एक स्पिंट्रोनिक एमिटर, एक स्तरित धातु संरचना का उपयोग किया जो लेजर प्रकाश द्वारा प्रकाशित होने पर बेहद तेज टेराहर्ट्ज़ दालों का उत्पादन करता है। माइक्रोमीटर आकार के नमूनों को उत्सर्जन स्रोत के बेहद करीब रखकर, टीम ने किरण को बाहर की ओर फैलने से पहले ही "फँसा" लिया, और ऊर्जा को तरंग दैर्ध्य से बहुत छोटे क्षेत्र पर केंद्रित कर दिया। यह मजबूत स्थानिक कारावास प्रभाव माइक्रोस्कोप को उन विवरणों को हल करने की अनुमति देता है जो पारंपरिक टेराहर्ट्ज़ रोशनी के तहत पूरी तरह से अदृश्य हैं।
डिज़ाइन एमिटर को ब्रैग रिफ्लेक्टर के साथ भी एकीकृत करता है, जो कई अल्ट्रा-पतली परावर्तक परतों से बना होता है जो केवल लक्ष्य टेराहर्ट्ज़ आवृत्ति बैंड को पार करते समय अवांछित प्रकाश को फ़िल्टर करता है। ऐसी संरचना नाजुक नमूनों को ऑप्टिकल लेजर से होने वाले नुकसान से बचा सकती है, जबकि उच्च आवृत्ति वाले टेराहर्ट्ज़ संकेतों को बरकरार रखती है जिन्हें शोधकर्ता पकड़ने की उम्मीद करते हैं।
पहले प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने बीएससीसीओ के एक नमूने को पूर्ण शून्य के करीब ठंडा कर दिया, जिससे यह सुपरकंडक्टिंग स्थिति में प्रवेश कर गया। जैसे ही टेराहर्ट्ज़ पल्स क्रायोजेनिक सामग्री से गुज़रे, डिटेक्टरों ने रिटर्न फ़ील्ड में कमजोर, नियमित दोलनों को उठाया - एक संकेत कि इलेक्ट्रॉन "घर्षण रहित तरल पदार्थ" की तरह सामूहिक रूप से अंदर जा रहे थे। इसके बाद टीम ने इन मापे गए संकेतों की तुलना सैद्धांतिक मॉडलों से की, जिससे पुष्टि हुई कि उन्होंने पहली बार वास्तव में क्वांटम सुपरफ्लुइड गति की छवि बनाई थी। "हम जो देख रहे हैं वह सुपरकंडक्टिंग जेल की एक गेंद की तरह है जो थोड़ा हिल रही है।" वॉन हेगन ने इसका वर्णन किया।
यह विज़ुअलाइज़ेशन सुपरकंडक्टर्स के अंदर क्वांटम गतिशीलता को समझने के लिए एक नई विंडो खोलता है। वैज्ञानिकों को उन प्रमुख कारकों को और अधिक स्पष्ट करने की उम्मीद है जो इलेक्ट्रॉनों को उच्च तापमान पर इस "सहकारी घर्षण रहित" स्थिति को बनाए रखने की अनुमति देते हैं, जिससे कमरे के तापमान की अतिचालकता की प्राप्ति के लिए सुराग मिलते हैं, जो भौतिकी और ऊर्जा प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में एक दीर्घकालिक लक्ष्य है।
वॉन हेगन का मानना है कि टेराहर्ट्ज़ माइक्रोस्कोपी का महत्व बुनियादी भौतिकी अनुसंधान से कहीं अधिक है। भविष्य में, इसका उपयोग नैनोस्केल एंटेना या सेंसर में सिग्नल प्रसार का अध्ययन करने के लिए भी किया जा सकता है। ये उपकरण टेराहर्ट्ज़ बैंड संचार प्रौद्योगिकी के लिए डिज़ाइन किए गए उम्मीदवार हैं और इन्हें आज के वाई-फ़ाई और मिलीमीटर वेव सिस्टम के बाद अगली पीढ़ी के संचार क्षेत्र के रूप में माना जाता है। उन्होंने बताया: "उद्योग अब टेराहर्ट्ज फ्रीक्वेंसी बैंड में वाई-फाई और संचार प्रणालियों को सख्ती से बढ़ावा दे रहा है। यदि आपके पास टेराहर्ट्ज माइक्रोस्कोप है, तो आप सीधे देख सकते हैं कि टेराहर्ट्ज प्रकाश सूक्ष्म उपकरणों के साथ कैसे संपर्क करता है, और ये उपकरण भविष्य में एंटेना या रिसीवर की एक नई पीढ़ी बनने की संभावना है।"
इस नए माइक्रोस्कोप को उपयोग में लाने के साथ, टीम ने अपने शोध को अजीब इलेक्ट्रॉनिक व्यवहारों के साथ अधिक दो-आयामी सामग्रियों तक विस्तारित करने की योजना बनाई है, जो टेराहर्ट्ज़ आवृत्ति बैंड में अपने अद्वितीय आंतरिक कंपन मोड को रिकॉर्ड करने की उम्मीद कर रही है। शोधकर्ताओं का कहना है कि प्रत्येक प्रयोग उन्हें एक मूल प्रश्न के उत्तर के करीब लाता है: इलेक्ट्रॉनिक दुनिया में घर्षण "गायब" होने पर इलेक्ट्रॉन एक साथ कैसे कार्य करते हैं, और यह इलेक्ट्रॉनिक सामग्रियों और उपकरणों के भविष्य को कैसे नया आकार देगा।