&bala; Física 18, 138
Um método de imagem fornece resolução sem precedentes para estudos de materiais quânticos, confiando na extrema sensibilidade dos supercondutores à luz.
A energia depositada em um supercondutor por um único fóton pode registrar um sinal detectável, e é por isso que os supercondutores são empregados em alguns detectores extremamente sensíveis. Agora, os pesquisadores demonstraram como usar essa sensibilidade para criar mapas das propriedades supercondutoras de um materials com resolução de nanômetros (1). A técnica também pode detectar polaritons – excitações híbridas de materials leve que podem ser úteis em tecnologias quânticas – com resolução mais alta do que os métodos anteriores. Os pesquisadores esperam que a nova técnica seja útil em áreas tão diversas quanto informações quânticas e nanofotônicas.
Quando um supercondutor mantido emblem abaixo de sua temperatura crítica absorve um único fóton, a supercondutividade pode ser destruída em uma pequena região do materials, desencadeando um pequeno sinal elétrico. Os avanços recentes expandiram as temperaturas operacionais de tais detectores e melhoraram suas sensibilidades a fótons em uma ampla gama de frequências, permitindo muitas novas aplicações. Mengkun Liu, da Stony Brook College, em Nova York, e colegas se perguntaram se a mesma sensibilidade poderia ser empregada para construir mapas espaciais de alta resolução das propriedades de amostras supercondutivas. “As variações espaciais geralmente influenciam a força e a coerência supercondutora, portanto, a capacidade de imaginar essas propriedades localmente traria informações valiosas”, diz o membro da equipe Stony Brook, Ran Jing.
Os métodos de microscopia de corrente usam ondas eletromagnéticas espalhadas por uma pequena sonda metálica em forma de agulha, ou “ponta”, para induzir respostas eletromagnéticas locais em uma amostra. Os pesquisadores podem usar essas respostas para criar mapas altamente detalhados das propriedades do materials, principalmente em semicondutores. Mas essa técnica geralmente não possui a sensibilidade necessária para detectar variações espaciais em supercondutores ou outros materiais que normalmente respondem menos fortemente a ondas eletromagnéticas incidentes do que os semicondutores.
Então Liu e colegas desenvolveram uma técnica de microscopia baseada em varredura de varredura adaptada para supercondutores. Na configuração, uma viga infravermelha se espalha de uma ponta metálica que paira acima da superfície da amostra. Se absorvido, a luz pode suprimir a supercondutividade perto da ponta. Essa supressão gera uma tensão ou corrente mensurável entre os eletrodos situados nas proximidades. Fundamentalmente, a temperatura crítica varia um pouco de um lugar para outro como resultado de defeitos cristalinos, geometria da amostra e qualquer outra coisa que possa fortalecer ou enfraquecer a supercondutividade. Em experimentos, os pesquisadores repetem a varredura a uma série de temperaturas enquanto monitoram o sinal que indica uma perda na supercondutividade. Os resultados podem fornecer um mapa espacial de propriedades, como resistividade ou coerência quântica native.
A equipe demonstrou a técnica usando uma amostra em forma de laço do niobium supercondutor que tinha uma tira de 200 nm de largura, ou “nanobridge”, no centro da gravata borboleta. Os resultados mostraram que o Nanobridge perdeu sua supercondutividade a uma temperatura mais baixa do que outras regiões, provavelmente resultado de sua maior densidade de corrente.
As propriedades de Nanobridge foram o foco deste experimento, mas a técnica poderia ser útil de outras maneiras, diz Jing. “O materials actual em estudo pode ser o próprio supercondutor, ou pode ser outro materials em camadas em cima – ou nas proximidades do Nanobridge”.
Liu e colegas também demonstraram outro uso para sua técnica: detectar polaritons, que são candidatos promissores para uso em tecnologias quânticas. Os polaritons são partículas híbridas – parte e parte de oscilações dipolares elétricas – e são difíceis de detectar porque são pequenas e confinadas à superfície. Os pesquisadores direcionaram luz a laser do midinfravou para o nitreto de boro hexagonal (h-Bn), um materials conhecido por apoiar os polaritons que viajam ao longo da superfície. Eles colocaram o nanobridge sob o fino h-Bn filme. À medida que os polaritons passaram sobre a ponte, pequenas variações de campo elétrico dos polaritons causaram alterações no calor ou no fluxo de corrente no supercondutor, produzindo um sinal elétrico mensurável que reflete a passagem dos polaritons. Essa abordagem de detecção de polariton requer 10.000 vezes menos energia do que as técnicas anteriores, o que permite imagens de maior resolução.
Este trabalho “abre a possibilidade de produzir imagens espacialmente resolvidas de dispositivos ou materiais delicados usando irradiação muito fraca”, diz o especialista em matéria quântica Justin Tune da Universidade Tecnológica de Nanyang em Cingapura. “Pode ser mais útil para investigar supercondutores e outros sistemas com ordem frágil, onde muita luz poderia destruir a ordem”.
Os pesquisadores esperam imaginar uma classe mais ampla de materiais e dispositivos e estudar uma série de excitações polaritônicas. Esses sistemas podem incluir dispositivos de grafeno distorcidos e alguns novos supercondutores, diz Jing. A técnica também pode ser útil para caracterizar dispositivos supercondutores usados em qubits, onde defeitos da superfície microscópica ou áreas de oxidação podem alterar as propriedades supercondutoras. A capacidade de detectar polaritons também ajudará na engenharia de dispositivos quânticos baseados nessas partículas, diz ele.
–Mark Buchanan
Mark Buchanan é um escritor de ciências freelancers que divide seu tempo entre Abergavenny, Reino Unido, e Notre Dame de Courson, França.
Referências
- R. Jing et al.“Nanoscopia óptica supercondutora bolométrica (bóson)”. Phys. Rev. x 15031027 (2025).
