Znaczenie nieporządku w fizyce dorównuje jedynie trudnościom w jego badaniu. Na przykład niezwykłe właściwości nadprzewodników wysokotemperaturowych są w dużym stopniu zależne od zmian w składzie chemicznym ciała stałego. Techniki umożliwiające pomiary takiego nieporządku i jego wpływu na właściwości elektroniczne, takie jak skaningowa mikroskopia tunelowa, działają tylko w bardzo niskich temperaturach i są ślepe na te zjawiska fizyczne w pobliżu temperatury przejścia. Teraz zespół badaczy z Instytutu Maxa Plancka ds. Struktury i Dynamiki Materii (MPSD) w Niemczech i Brookhaven National Laboratory w Stanach Zjednoczonych zademonstrował nowy sposób badania nieporządku w nadprzewodnikach przy użyciu terahercowych impulsów światła. Adaptując metody stosowane w jądrowym rezonansie magnetycznym do spektroskopii terahercowej, zespół był w stanie po raz pierwszy śledzić ewolucję nieporządku we właściwościach transportu aż do temperatury przejścia w nadprzewodnictwo. Praca grupy Cavalleri ukazała się w Fizyka przyrody.
Nadprzewodnictwo, zjawisko kwantowe, które umożliwia przepływ prądu elektrycznego bez oporu, jest jednym z najważniejszych zjawisk w fizyce materii skondensowanej ze względu na jego transformacyjny wpływ technologiczny. Wiele materiałów, które stają się nadprzewodnikami w tak zwanych „wysokich temperaturach” (około -170°C), takich jak dobrze znane nadprzewodniki kubratowe, zawdzięczają swoje niezwykłe właściwości domieszkowaniu chemicznemu, które wprowadza nieporządek. Jednak dokładny wpływ tej zmienności chemicznej na ich właściwości nadprzewodzące pozostaje niejasny.
W nadprzewodnikach i ogólniej w układach materii skondensowanej, nieporządek jest zazwyczaj badany za pomocą eksperymentów charakteryzujących się precyzyjną rozdzielczością przestrzenną, np. poprzez użycie niezwykle ostrych metalowych końcówek. Jednak czułość tych eksperymentów ogranicza ich zastosowanie do temperatur ciekłego helu, znacznie poniżej przejścia nadprzewodzącego, uniemożliwiając tym samym badanie wielu fundamentalnych pytań związanych z samym przejściem.
Czerpiąc inspirację z technik „spektroskopii wielowymiarowej” początkowo opracowanych dla jądrowego rezonansu magnetycznego, a później dostosowanych do widzialnych i ultrafioletowych częstotliwości optycznych przez chemików badających układy molekularne i biologiczne, badacze MPSD rozszerzyli tę klasę technik na zakres częstotliwości terahercowych, w którym rezonują zbiorcze mody ciał stałych. Ta technika obejmuje sekwencyjne wzbudzanie interesującego materiału wieloma intensywnymi impulsami terahercowymi, zwykle w geometrii kolinearnej, w której impulsy przemieszczają się w tym samym kierunku. Aby zbadać nadprzewodnik kubranowy La1,83Sr0,17CuO4 — nieprzezroczysty materiał przepuszczający minimalną ilość światła — zespół rozszerzył konwencjonalny schemat, stosując po raz pierwszy dwuwymiarową spektroskopię terahercową (2DTS) w geometrii niekolinearnej, co pozwoliło naukowcom wyizolować określone nieliniowości terahercowe na podstawie kierunku ich emisji.
Dzięki tej technice 2DTS z rozdzielczością kątową badacze zaobserwowali, że transport nadprzewodzący w kubracie został przywrócony po wzbudzeniu przez impulsy terahercowe, zjawisko to nazwali „echami Josephsona”. Co zaskakujące, echa Josephsona ujawniły, że nieporządek w transporcie nadprzewodzącym był znacznie niższy niż odpowiadający mu nieporządek obserwowany w przerwie nadprzewodzącej mierzony technikami rozdzielczości przestrzennej, takimi jak eksperymenty mikroskopii skaningowej. Co więcej, wszechstronność techniki 2DTS z rozdzielczością kątową umożliwiła zespołowi po raz pierwszy zmierzenie nieporządku w pobliżu temperatury przejścia w nadprzewodnictwo, stwierdzając, że pozostawał on stabilny do stosunkowo ciepłych 70% temperatury przejścia.
Oprócz głębszego zrozumienia zagadkowych właściwości nadprzewodników kubratowych, badacze podkreślają, że te pierwsze eksperymenty otwierają drzwi do wielu ekscytujących przyszłych kierunków. Oprócz zastosowania kątowo-rozdzielczego 2DTS do innych nadprzewodników i materiałów kwantowych w szerszym zakresie, ultraszybka natura 2DTS sprawia, że można go stosować do przejściowych stanów materii, które trwają zbyt krótko dla konwencjonalnych sond nieporządku.
