Un microscopio capaz de comprimir la luz de terahercios hasta dimensiones microscópicas ha permitido observar, por primera vez, un comportamiento colectivo de electrones superconductores que hasta ahora solo existía en los modelos teóricos. El avance, desarrollado por físicos del Massachusetts Institute of Technology (MIT) y publicado en la revista Nature, abre una nueva vía para estudiar la física cuántica de los materiales y para explorar aplicaciones que van desde la superconductividad a las futuras telecomunicaciones ultrarrápidas.

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El resultado central del trabajo es un nuevo microscopio de terahercios capaz de sortear una de las barreras clásicas de la óptica: el límite de difracción, que impide enfocar la luz en regiones más pequeñas que su propia longitud de onda. En el rango de los terahercios –una franja del espectro electromagnético situada entre las microondas y el infrarrojo– esa limitación había condenado durante décadas a esta radiación a un papel secundario en la microscopía de materiales.

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Ahora, por primera vez, esa frontera se ha desplazado.

Una luz hecha a la medida de los electrones

La clave está en la propia naturaleza de la luz de terahercios. Oscila a billones de veces por segundo, una cadencia que coincide con el ritmo natural al que vibran átomos y electrones en el interior de los sólidos. En teoría, es la herramienta ideal para observar procesos cuánticos colectivos, como los que tienen lugar en los superconductores.

El problema siempre ha sido geométrico. Las ondas de terahercios tienen longitudes de onda de cientos de micras. Cuando se intenta concentrarlas en un punto, el haz resultante es demasiado grande para interactuar con muestras microscópicas. En palabras de los propios investigadores, gran parte de lo que se acaba midiendo es aire o vacío alrededor del material, no el material en sí.

Ese cuello de botella explica por qué, pese a su potencial, la radiación de terahercios se ha explorado mucho más en campos como el escaneo de seguridad, la imagen médica o las comunicaciones inalámbricas, y mucho menos en la observación directa de fenómenos cuánticos a escala microscópica.

El truco para romper el límite

El equipo del MIT ha encontrado una forma de esquivar ese límite utilizando emisores espintrónicos, una tecnología relativamente reciente. Estos emisores están formados por capas metálicas ultrafinas. Cuando un láser incide sobre ellas, se desencadena una cascada de procesos electrónicos que culmina en la emisión de pulsos muy breves de luz de terahercios.

El gesto decisivo ha sido colocar la muestra a estudiar extremadamente cerca del emisor. De ese modo, la radiación se “atrapa” antes de que pueda expandirse, quedando confinada en un volumen mucho menor que su longitud de onda. En ese régimen cercano, la luz ya no obedece las reglas habituales de la difracción y puede resolver detalles microscópicos hasta ahora invisibles.

Para proteger las muestras del láser que activa el emisor, los investigadores integraron el sistema con un espejo de Bragg, una estructura multicapa que filtra las longitudes de onda no deseadas y deja pasar solo el pulso de terahercios útil para la medición. El resultado es un auténtico microscopio cuántico de terahercios.

Un superconductor bajo el microscopio

Como demostración, el equipo aplicó el nuevo instrumento a un material bien conocido en la física de la superconductividad: el óxido de bismuto, estroncio, calcio y cobre, conocido por sus siglas BSCCO. Se trata de un superconductor de “alta temperatura” relativa, que ha sido durante décadas un laboratorio natural para estudiar estados electrónicos exóticos.

La muestra, de grosor atómico, se enfrió hasta temperaturas cercanas al cero absoluto, las condiciones necesarias para que aparezca la superconductividad. A continuación, el microscopio escaneó el material enviando pulsos de terahercios y analizando cómo se distorsionaban al atravesarlo.

Lo que observaron fue una firma inesperada: pequeñas oscilaciones que seguían al pulso principal. La señal indicaba que algo dentro del material estaba emitiendo radiación de terahercios tras ser excitado.

El análisis posterior llevó a una conclusión clara: el microscopio estaba captando las oscilaciones colectivas de un “superfluido” de electrones superconductores, moviéndose sin fricción y vibrando de forma coordinada a frecuencias de terahercios.

“Este nuevo microscopio nos permite ver un nuevo modo de electrones superconductores que nadie había visto antes”, explica Nuh Gedik, profesor de Física en el MIT y autor principal del estudio. Alexander von Hoegen, investigador posdoctoral y primer firmante del trabajo, lo resume con una imagen menos solemne: “Es este gel superconductor el que estamos viendo sacudirse”.

Física básica y promesas tecnológicas

La existencia de estas oscilaciones colectivas se había anticipado teóricamente, pero nunca se habían visualizado de forma directa. Poder hacerlo abre la puerta a una comprensión más fina de cómo se organizan los electrones en los superconductores y de qué propiedades son esenciales para que la resistencia eléctrica desaparezca.

Ese conocimiento es clave en una de las grandes aspiraciones de la física de materiales: el desarrollo de superconductores que funcionen a temperatura ambiente. Aunque el nuevo microscopio no resuelve ese desafío por sí solo, proporciona una herramienta inédita para explorar los mecanismos que podrían hacerlo posible.

El alcance no se limita a la superconductividad. Muchos procesos múltiples –vibraciones de la red cristalina, excitaciones magnéticas, dinámicas electrónicas complejas– tienen lugar en el rango de los terahercios. Hasta ahora, quedaban fuera del alcance de la microscopía convencional. Con este instrumento, pueden estudiarse de forma localizada y resonante.

De la cuántica al Wi-Fi del futuro

El trabajo también tiene una lectura aplicada. La industria de las telecomunicaciones lleva años explorando el salto desde las microondas actuales hacia frecuencias de terahercios, capaces de transportar muchos más datos a mayor velocidad. El problema es, de nuevo, el control de esa radiación a escalas pequeñas.

“Hay un enorme impulso por llevar el Wi-Fi o las telecomunicaciones al siguiente nivel, a frecuencias de terahercios”, señala Von Hoegen. “Con un microscopio de terahercios se puede estudiar cómo esta luz interactúa con dispositivos microscópicos que podrían servir como futuras antenas o receptores”.

En ese sentido, el instrumento no solo permite ver nuevos estados de la materia, sino también evaluar materiales candidatos para emitir, guiar o detectar radiación de terahercios, un requisito imprescindible para cualquier tecnología basada en ese rango del espectro.

Un campo que se abre

El equipo ya está aplicando el microscopio a otros materiales bidimensionales, con la expectativa de observar nuevas excitaciones cuánticas hasta ahora inaccesibles. El propio Von Hoegen lo formula en términos casi programáticos: ahora es posible “hacer zoom” sobre una física que siempre estuvo ahí, pero que nadie había podido mirar de cerca.

El avance no elimina las dificultades de la investigación en terahercios, pero sí cambia el terreno de juego. Donde antes había una limitación física casi insalvable, ahora hay un instrumento que permite trabajar a la escala real de los electrones.

La investigación ha contado con financiación del Departamento de Energía de Estados Unidos, la Fundación Gordon y Betty Moore y laboratorios del propio MIT, además de colaboradores de Harvard, institutos Max Planck y el Brookhaven National Laboratory. El microscopio, en cualquier caso, queda como el verdadero protagonista: una herramienta que ha convertido una promesa teórica en una observación directa.