Från hållbar energi till kvantdatorer:högtemperatur superledare har potential att revolutionera dagens teknik. Trots intensiv forskning, dock, vi saknar fortfarande den nödvändiga grundläggande förståelsen för att utveckla dessa komplexa material för utbredd tillämpning. "Higgs -spektroskopi" kan åstadkomma en vattendelare eftersom den avslöjar dynamiken hos parade elektroner i superledare. Ett internationellt forskningskonsortium centrerat kring Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och Max Planck Institute for Solid State Research (MPI-FKF) presenterar nu den nya mätmetoden i tidskriften Naturkommunikation . Anmärkningsvärt, dynamiken avslöjar också typiska föregångare till supraledning även över den kritiska temperatur vid vilken de undersökta materialen uppnår supraledning.

Superledare transporterar elektrisk ström utan energiförlust. Att använda dem kan dramatiskt minska våra energibehov -om det inte vore för att superledning kräver temperaturer på -140 grader Celsius och lägre. Material "aktiverar" bara sin supraledning under denna punkt. Alla kända superledare kräver genomarbetade kylmetoder, vilket gör dem opraktiska för vardagliga ändamål. Det finns ett löfte om framsteg inom supraledare vid höga temperaturer, t.ex. kuprater - innovativa material baserade på kopparoxid. Problemet är att trots många års forskning, deras exakta arbetssätt är fortfarande oklart. Higgs -spektroskopi kan ändra det.

Higgs-spektroskopi möjliggör nya insikter om supraledning vid hög temperatur

"Higgs spektroskopi erbjuder oss ett helt nytt" förstoringsglas "för att undersöka de fysiska processerna, "Dr Jan-Christoph Deinert rapporterar. Forskaren vid HZDR Institute of Radiation Physics arbetar med den nya metoden tillsammans med kollegor från MPI-FKF, universiteten i Stuttgart och Tokyo, och andra internationella forskningsinstitutioner. Vad forskarna är mest angelägna om att ta reda på är hur elektroner bildar par i högtemperatur superledare.

I supraledning, elektroner kombineras för att skapa "Cooper -par, "vilket gör att de kan röra sig genom materialet i par utan någon interaktion med sin omgivning. Men vad gör att två elektroner kopplas ihop när deras laddning faktiskt får dem att stöta bort varandra? För konventionella superledare, det finns en fysisk förklaring:"Elektronerna paras ihop på grund av kristallgittervibrationer, "förklarar professor Stefan Kaiser, en av huvudförfattarna till studien, som forskar om dynamiken i superledare vid MPI-FKF och universitetet i Stuttgart. En elektron förvränger kristallgitteret, som sedan lockar den andra elektronen. För cuprater, dock, det har hittills varit oklart vilken mekanism som verkar i stället för gittervibrationer. "En hypotes är att parningen beror på fluktuerande snurr, dvs. magnetisk interaktion, "Kaiser förklarar." Men nyckelfrågan är:Kan deras inflytande på supraledning och i synnerhet på Cooper -parens egenskaper mätas direkt? "

Vid denna tidpunkt går "Higgs-oscillationer" in på scenen:I högenergifysik, de förklarar varför elementära partiklar har massa. Men de förekommer också i superledare, där de kan exciteras av starka laserpulser. De representerar oscillationerna av orderparametern - måttet på ett materials supraledande tillstånd, med andra ord, Cooper -parens täthet. Så mycket för teorin. Ett första experimentellt bevis lyckades för några år sedan när forskare vid University of Tokyo använde en ultrakort ljuspuls för att väcka Higgs -svängningar i konventionella superledare - som att sätta en pendel i rörelse. För högtemperatur superledare, dock, en sådan engångspuls räcker inte, eftersom systemet dämpas för mycket av interaktioner mellan de superledande och icke-superledande elektronerna och den komplicerade symmetrin hos den beställande parametern.

Terahertz ljuskälla håller systemet oscillerande

Tack vare Higgs spektroskopi, Forskningskonsortiet kring MPI-FKF och HZDR har nu uppnått det experimentella genombrottet för högtemperatur superledare. Deras trick var att använda en multicyklisk, extremt stark terahertz -puls som är optimalt inställd på Higgs -oscillation och kan bibehålla den trots dämpningsfaktorerna - kontinuerligt framkallande den metaforiska pendeln. Med den högpresterande terahertz-ljuskällan TELBE på HZDR, forskarna kan skicka 100, 000 sådana pulser genom proverna per sekund. "Vår källa är unik i världen på grund av dess höga intensitet i terahertz -intervallet i kombination med en mycket hög repetitionsfrekvens, "Deinert förklarar." Vi kan nu selektivt driva Higgs -svängningar och mäta dem mycket exakt. "

Denna framgång beror på ett nära samarbete mellan teoretiska och experimentella forskare. Idén kläcktes på MPI-FKF; experimentet genomfördes av TELBE -teamet, ledd av Dr. Jan-Christoph Deinert och Dr. Sergey Kovalev vid HZDR under dåvarande gruppledaren prof. Michael Gensch, som nu forskar vid German Aerospace Center och TU Berlin:"Experimenten är av särskild betydelse för den vetenskapliga tillämpningen av storskaliga forskningsanläggningar i allmänhet. De visar att en terahertzkälla med hög effekt som TELBE kan hantera en komplex undersökning med hjälp av olinjär terahertz -spektroskopi på en komplicerad serie prover, som kopior. "

Det är därför som forskargruppen förväntar sig en stor efterfrågan i framtiden:"Higgs -spektroskopi som ett metodiskt tillvägagångssätt öppnar helt nya potentialer, "förklarar Dr Hao Chu, huvudförfattare till studien och postdoc vid Max Planck-UBC-UTokyo Center for Quantum Materials. "Det är utgångspunkten för en rad experiment som kommer att ge ny insikt i dessa komplexa material. Vi kan nu ta ett mycket systematiskt tillvägagångssätt."

Strax över den kritiska temperaturen:Var börjar supraledning?

Genomföra flera mätningar, forskarna bevisade först att deras metod fungerar för typiska kuprater. Under den kritiska temperaturen, forskargruppen kunde inte bara excitera Higgs -svängningar, men bevisade också att en ny, tidigare obemärkt excitation interagerar med Cooper -parens Higgs -oscillationer. Ytterligare experiment måste avslöja om dessa interaktioner är magnetiska interaktioner, som häftigt debatteras i expertkretsar. Vidare, forskarna såg tecken på att Cooper -par också kan bildas över den kritiska temperaturen, om än utan att pendla ihop. Andra mätmetoder har tidigare föreslagit möjligheten till sådan tidig parbildning. Higgs -spektroskopi kan stödja denna hypotes och klargöra när och hur paren bildas och vad som får dem att svänga tillsammans i superledaren.