Πώς το νέο μικροσκόπιο του MIT ανοίγει τον δρόμο για δίκτυα 6G και κβαντικούς υπολογιστές

Η κβαντική φυσική μόλις απέκτησε ένα νέο, πανίσχυρο «μάτι» που επιτρέπει την παρατήρηση φαινομένων στο εσωτερικό των υλικών με πρωτοφανή λεπτομέρεια. Ερευνητές του φημισμένου αμερικανικού πανεπιστημίου MIT πέτυχαν έναν σημαντικό τεχνολογικό άθλο, αναπτύσσοντας ένα πρωτοποριακό μικροσκόπιο Terahertz. Το συγκεκριμένο όργανο κατάφερε για πρώτη φορά να καταγράψει την κίνηση των υπεραγώγιμων ηλεκτρονίων, προσφέροντας ασύλληπτες μέχρι πρότινος εικόνες από τον μικρόκοσμο της ύλης.

Η εξέλιξη αυτή υπόσχεται να επιταχύνει ραγδαία την έρευνα γύρω από την υπεραγωγιμότητα, ενώ ταυτόχρονα ανοίγει νέους, συναρπαστικούς δρόμους για τη δημιουργία προηγμένων κβαντικών υπολογιστών και ασύρματων δικτύων υπερ-υψηλών ταχυτήτων.

Το ηλεκτρομαγνητικό «γλυκό σημείο» και το πρόβλημα της ανάλυσης

Κάθε είδος φωτός προσφέρει διαφορετικές πληροφορίες για ένα υλικό. Το οπτικό φως φωτίζει την επιφάνεια, οι ακτίνες Χ αποκαλύπτουν τις εσωτερικές δομές και το υπέρυθρο αποτυπώνει την εκπεμπόμενη θερμότητα. Η ακτινοβολία Terahertz (THz) βρίσκεται στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα ακριβώς ανάμεσα στα μικροκύματα και την υπέρυθρη ακτινοβολία. Πρόκειται για μια μη ιοντίζουσα, απόλυτα ασφαλή μορφή ενέργειας για τους βιολογικούς ιστούς, η οποία ταλαντώνεται περισσότερο από ένα τρισεκατομμύριο φορές το δευτερόλεπτο. Ο ρυθμός αυτός ταυτίζεται αρμονικά με τον φυσικό παλμό που έχουν τα άτομα και τα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό των διαφόρων υλικών, καθιστώντας την ιδανικό εργαλείο ανίχνευσης.

Ωστόσο, οι επιστήμονες αντιμετώπιζαν μέχρι σήμερα ένα ανυπέρβλητο φυσικό εμπόδιο, γνωστό ως όριο περίθλασης. Επειδή τα κύματα Terahertz έχουν μήκος εκατοντάδων μικρομέτρων, οι δέσμες τους είναι υπερβολικά «ογκώδεις» για να εστιάσουν σε μικροσκοπικά δείγματα. Ουσιαστικά, το φως απλώς «έγλειφε» τις νανοδομές, περνώντας από πάνω τους χωρίς να αλληλεπιδρά ουσιαστικά, αδυνατώντας έτσι να αποτυπώσει τις λεπτομέρειες του κβαντικού τους χαρακτήρα. Με απλά λόγια, το μικροσκόπιο «έβλεπε» κυρίως το κενό ή τον αέρα γύρω από το δείγμα.

Η τεχνολογική υπέρβαση των επιστημόνων του MIT

Η ερευνητική ομάδα του MIT, με επικεφαλής τον καθηγητή Φυσικής Nuh Gedik και τον μεταδιδακτορικό ερευνητή Alexander von Hoegen, βρήκε τη λύση σε αυτόν τον τεχνολογικό γρίφο. Στη μελέτη τους περιγράφουν πώς κατάφεραν να «συμπιέσουν» το φως Terahertz σε εντελώς μικροσκοπικές διαστάσεις. Για την επιτυχία του εγχειρήματος συνεργάστηκαν επίσης ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Harvard, το Ινστιτούτο Max Planck και το Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven των ΗΠΑ.

Για να παρακάμψουν το όριο περίθλασης, οι ερευνητές αξιοποίησαν «σπιντρονικούς πομπούς». Η συγκεκριμένη τεχνολογία αποτελείται από πολλαπλά, εξαιρετικά λεπτά μεταλλικά στρώματα. Όταν μια δέσμη λέιζερ χτυπά αυτά τα στρώματα, προκαλείται μια αλυσιδωτή δυναμική αντίδραση στα ηλεκτρόνια κάθε επιφάνειας, με αποτέλεσμα η δομή να εκπέμπει τελικά έναν ισχυρό και αιχμηρό παλμό ενέργειας σε συχνότητες Terahertz.

Τοποθετώντας το υπό εξέταση δείγμα σε απόσταση αναπνοής από τον πομπό και χρησιμοποιώντας έναν ειδικό καθρέφτη προστασίας (Bragg mirror) για το φιλτράρισμα ανεπιθύμητων μηκών κύματος, η ομάδα μπόρεσε να εγκλωβίσει το φως ακριβώς πριν προλάβει να διασκορπιστεί στον χώρο. Έτσι, το φως Terahertz συμπιέστηκε σε χώρο πολύ μικρότερο από το μήκος κύματός του, επιτρέποντας την απεικόνιση στοιχείων που μέχρι πρότινος παρέμεναν εντελώς αόρατα.

Παρατηρώντας το «υπερρευστό» τζελ ηλεκτρονίων

Εφαρμόζοντας τη νέα τους μέθοδο, οι επιστήμονες του MIT εξέτασαν ένα δείγμα του υλικού BSCCO (οξείδιο βισμουθίου-στροντίου-ασβεστίου-χαλκού), ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον υλικό που εμφανίζει ιδιότητες υπεραγωγιμότητας σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Ψύχοντας το δείγμα κοντά στο απόλυτο μηδέν προκειμένου να ενεργοποιηθεί η υπεραγώγιμη κατάσταση, έστειλαν τους στοχευμένους παλμούς Terahertz και ξεκίνησαν να καταγράφουν τις αντιδράσεις του υλικού.

Αυτό που αντίκρισαν προσέφερε νέα δεδομένα στην κβαντική φυσική: ένα χωρίς καμία απολύτως τριβή «υπερρευστό» υπεραγώγιμων ηλεκτρονίων, τα οποία πάλλονταν συλλογικά στις συχνότητες Terahertz. Καθώς το αρχικό φως χτυπούσε το υλικό, το πεδίο παραμορφωνόταν και δημιουργούσε μικρές ταλαντώσεις, αποδεικνύοντας ότι το ίδιο το δείγμα εξέπεμπε πλέον φως Terahertz. Όπως χαρακτηριστικά ανέφερε ο von Hoegen, έμοιαζε σαν να βλέπουν ένα «υπεραγώγιμο τζελ» να τρέμει αρμονικά. Η παρατήρηση αυτή επιβεβαιώνει θεωρητικά μοντέλα δεκαετιών και παρέχει την πρώτη άμεση οπτική καταγραφή της συγκεκριμένης δυναμικής συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων.

Ο αντίκτυπος στους κβαντικούς υπολογιστές και τις τηλεπικοινωνίες

Η πρακτική αξία της ανακάλυψης αυτού του νέου οπτικού εργαλείου είναι τεράστια για πολλαπλούς κλάδους της τεχνολογίας. Αρχικά, οι ερευνητές ανά τον κόσμο αποκτούν το απαραίτητο μέσο για να μελετήσουν σε βάθος και με χειροπιαστά δεδομένα την υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου. Αν η επιστημονική κοινότητα καταφέρει να κατανοήσει πλήρως τους μηχανισμούς με τους οποίους τα ηλεκτρόνια κινούνται χωρίς καμία ενεργειακή αντίσταση, οι εφαρμογές θα αλλάξουν ριζικά τον τρόπο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως, εκμηδενίζοντας τις ενεργειακές απώλειες των δικτύων.

Παράλληλα, τα ευρήματα της έρευνας προσφέρουν πολύτιμη γνώση για την αρχιτεκτονική που απαιτούν οι κβαντικοί υπολογιστές. Τα συστήματα αυτά βασίζονται στην απόλυτη σταθερότητα και τον εξαιρετικά ακριβή έλεγχο των κβαντικών καταστάσεων για την επεξεργασία δεδομένων, και η βαθύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων σε υπεραγώγιμα περιβάλλοντα συνιστά θεμελιώδες δομικό στοιχείο για την ανάπτυξή τους.

Εκτός όμως από τη σκληρή φυσική, το νέο μικροσκόπιο Terahertz αναμένεται να επιταχύνει τις εξελίξεις στις εμπορικές τηλεπικοινωνίες. Η διαρκώς αυξανόμενη ανάγκη για γρηγορότερη και μαζικότερη μεταφορά δεδομένων ωθεί τις εταιρείες τεχνολογίας να σχεδιάζουν δίκτυα πέρα από τα σημερινά πρότυπα του Wi-Fi και των μικροκυματικών συχνοτήτων. Η μετάβαση στο φάσμα των Terahertz θεωρείται το επόμενο μεγάλο βήμα. Διαθέτοντας πλέον ένα εργαλείο που επιτρέπει την ανάλυση της αλληλεπίδρασης αυτού του φωτός με μικροσκοπικές συσκευές-κεραίες, οι μηχανικοί παίρνουν στα χέρια τους το "κλειδί" για να σχεδιάσουν τους δέκτες και τους πομπούς των ασύρματων δικτύων της επόμενης γενιάς.

Η ανάπτυξη του οργάνου αυτού από το MIT καταδεικνύει ότι τα όρια της ανθρώπινης παρατήρησης συνεχίζουν να επεκτείνονται. Προσφέροντας καθαρή οπτική πρόσβαση στην καρδιά των υπεραγώγιμων υλικών, το εργαλείο αυτό εξοπλίζει την παγκόσμια επιστημονική κοινότητα με τις δυνατότητες που απαιτούνται για την αποκωδικοποίηση των βαθύτερων κβαντικών διαδικασιών, φέρνοντας τις τεχνολογικές καινοτομίες του μέλλοντος με σταθερά βήματα στο παρόν.