Ван, профессор физики и астрономии Университета штата Айова, который также связан с Национальной лабораторией Эймса Министерства энергетики США, описал, как прибор работает в экстремальных масштабах пространства, времени и энергии - миллиардные доли метра, квадриллионные доли секунды и триллионы электромагнитных волн в секунду.

Ван указал и объяснил системы управления, лазерный источник, лабиринт зеркал, которые создают оптический путь для света, пульсирующего со скоростью триллионов циклов в секунду, сверхпроводящий магнит, который окружает пространство для образцов, изготовленный на заказ атомно-силовой микроскоп, ярко-желтый криостат, который снижает температуру образцов до температура жидкого гелия около -450 градусов по Фаренгейту.

Ван называет этот прибор криогенным магнито-терагерцевым сканирующим оптическим микроскопом ближнего поля. (Сокращенно это cm-SNOM.) Он базируется в центре чувствительных приборов Национальной лаборатории Эймса к северо-западу от кампуса штата Айова.

На создание прибора ушло пять лет и 2 миллиона долларов - 1,3 миллиона долларов от Фонда У.М. Кека в Лос-Анджелесе и 700 000 долларов от штата Айова и Национальной лаборатории Эймса. Он собирает данные и вносит свой вклад в эксперименты менее года.

"Ни у кого этого нет", - сказал Ван о наноскопе экстремального масштаба. "Это первый в мире".

Он может фокусироваться примерно до 20 нанометров, или 20 миллиардных долей метра, работая при температурах ниже температуры жидкого гелия и в сильных магнитных полях Тесла. Этого достаточно, чтобы получить представление о сверхпроводящих свойствах материалов в этих экстремальных условиях.

Сверхпроводники - это материалы, которые проводят электричество - электроны - без сопротивления или нагрева, как правило, при очень низких температурах. Сверхпроводящие материалы имеют множество применений, в том числе в медицине, таких как МРТ-сканирование, и в качестве магнитных трасс для заряженных субатомных частиц, ускоряющихся вокруг ускорителей, таких как Большой адронный коллайдер.

В настоящее время рассматриваются сверхпроводящие материалы для квантовых вычислений, нового поколения вычислительной мощности, основанной на механике и энергиях в атомном и субатомном масштабах квантового мира. Сверхпроводящие квантовые биты, или кубиты, являются сердцем новой технологии. Одной из стратегий управления потоками сверхтока в кубитах является использование сильных импульсов световых волн.

"Технология сверхпроводимости является основным направлением для квантовых вычислений", - сказал Ван. "Итак, нам нужно понять и охарактеризовать сверхпроводимость и то, как она контролируется светом".

И это то, что делает инструмент cm-SNOM. Как описано в исследовательской статье, только что опубликованной журналом Nature Physics, и в препринте, размещенном на веб-сайте arXiv (см. боковые панели), Ван и команда исследователей проводят первые ансамблевые средние измерения сверхтока в сверхпроводниках на основе железа в терагерцовых (триллионы волн в секунду) энергетических масштабах и первое действие cm-SNOM для обнаружения туннелирования терагерцового сверхтока в высокотемпературном сверхпроводнике на основе меди.

"Это новый способ измерения реакции сверхпроводимости на импульсы световых волн", - сказал Ван. "Мы используем наши инструменты, чтобы предложить новый взгляд на это квантовое состояние в нанометровых масштабах во время терагерцовых циклов".

Илиас Перакис, профессор и заведующий кафедрой физики Университета Алабамы в Бирмингеме, сотрудник этого проекта, который разработал теоретическое понимание сверхпроводимости, управляемой светом, сказал: "Анализируя новые экспериментальные наборы данных, мы можем разработать передовые методы томографии для наблюдения квантово-запутанных состояний в сверхпроводниках, управляемых светом."

В статье исследователей сообщается, что "взаимодействия, способные управлять "этими сверхтоками", все еще плохо изучены, частично из-за отсутствия измерений".

Теперь, когда эти измерения проводятся на уровне ансамбля, Ван с нетерпением ожидает следующих шагов по измерению существования сверхтока с использованием cm-SNOM в одновременном нанометровом и терагерцевом масштабах. При поддержке Центра сверхпроводящих квантовых материалов и систем, возглавляемого Национальной ускорительной лабораторией Ферми Министерства энергетики США в Иллинойсе, его группа ищет способы сделать новый прибор еще более точным. Могут ли измерения достичь точности визуализации туннелирования сверхтока в одиночных джозефсоновских переходах, движения электронов через барьер, разделяющий два сверхпроводника?

"Нам действительно нужно измерить до этого уровня, чтобы повлиять на оптимизацию кубитов для квантовых компьютеров", - сказал он. "Это большая цель. И сейчас это лишь небольшой шаг в этом направлении. Это один шаг за раз".