Высокотемпературный сверхпроводник BSCCO может излучать когерентные терагерцевые волны. Изображение авторов исследования.

Создан новый источник Т-лучей

Т-волнами называют электромагнитные волны с частотой порядка 10¹² герц (обычно от 300 гигагерц до трех терагерц). Это соответствует длинам волн от одного миллиметра (край высокочастотной микроволновой области) до ста микрометров (край дальней инфракрасной области). Считается, что Т-волны могут выполнять часть функций, которые сейчас выполняют рентген и ультразвук, с большей эффективностью (в частности, потому что они причиняют тканям организма меньше повреждений, чем рентген).

Проблема в том, что Т-волны достаточной мощности довольно сложно получить. Частота волн слишком высока, чтобы их могли излучать полупроводниковые устройства, но слишком низка для твердотельных лазеров.

Для получения Т-волн можно использовать так называемые джозефсоновские переходы: устройства, состоящие из двух сверхпроводников, разделенных тонким слоем изолятора, которые применяются в квантовых технологиях. При подаче на переход постоянного напряжения он начинает излучать фотоны с частотой, соответствующей энергетической щели сверхпроводника. Можно добиться того, чтобы переход излучал и Т-волны, но мощность устройства будет слишком низкой.

Коллектив американских, турецких и японских ученых под руководством Ульриха Велпа (Ulrich Welp) из Аргоннской национальной лаборатории США решил проблему использованием высокотемпературных сверхпроводников, состоящих из множества джозефсоновских переходов, которые излучают синфазные волны.

Группа Велпа работала с высокотемпературным сверхпроводником Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, также называемым BSCCO (высокотемпературн ый не следует понимать буквально - свойства сверхпроводимости у BSCCO появляются при температуре около -173 по Цельсию). Сама структура BSCCO устроена так, что он состоит из множества джозефсоновских переходов: слоев сверхпроводника CuO₂, разделенных изоляторами BiO и SrO. Энергетическая щель сверхпроводника такова, что переходы способны излучать Т-волны.

Для того чтобы переходы излучали синфазно, исследователи варьируют напряжение, подаваемое на фрагмент BSCCO, до тех пор, пока частота излучения не совпадет с резонансной частотой фрагмента. После этого все переходы постепенно начнут излучать именно на этой частоте.

Группа Велпа использовала фрагмент BSCCO высотой около 300 нанометров, который содержал около 200 тысяч джозефсоновских переходов и мог генерировать волны частотой до 0,85 терагерц, при этом мощность устройства составляла 0,5 микроватт. В ближайшем будущем ученые надеются довести мощность до одного милливатта, что уже достаточно, например, для поиска следов взрывчатки.

Ссылки по теме
- Emission of Coherent THz Radiation from Superconductors - Science, 23.11.07
- High-Tc superconductors plug ‘terahertz gap’ - PhysicsWorld, 23.11.07
- У поваренной соли обнаружили "лазерное" поведение - Lenta.ru, 18.01.2006
- Т-лучи заменят рентген и УЗИ - МедНовости, 16.01.02

Сайты по теме
- Argonne National Laboratory