Международный исследовательский консорциум, основанный вокруг Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) и Института исследования твердого тела им. Макса Планка (MPI-FKF), теперь представляет новый метод измерения в журнале Nature Communications. Примечательно, что динамика также обнаруживает типичные предшественники сверхпроводимости даже выше критической температуры, при которой исследуемые материалы достигают сверхпроводимости.
Сверхпроводники переносят электрический ток без потери энергии.
Их использование могло бы значительно снизить наши потребности в энергии – если бы не тот факт, что сверхпроводимость требует температуры -140 градусов Цельсия и ниже. Материалы только «включают» свою сверхпроводимость ниже этой точки. Все известные сверхпроводники требуют сложных методов охлаждения, что делает их непрактичными для повседневного использования.
Есть перспективы развития высокотемпературных сверхпроводников, таких как купраты – инновационных материалов на основе оксида меди. Проблема в том, что, несмотря на многолетние исследования, точный режим их работы остается неясным.
Спектроскопия Хиггса может изменить это.
Спектроскопия Хиггса позволяет по-новому взглянуть на высокотемпературную сверхпроводимость
«Спектроскопия Хиггса предлагает нам совершенно новое« увеличительное стекло »для изучения физических процессов», – сказал доктор. Отчет Ян-Кристоф Дейнерт.
Исследователь из Института радиационной физики HZDR работает над новым методом вместе с коллегами из MPI-FKF, университетов Штутгарта и Токио и других международных исследовательских институтов. Больше всего ученых хотят выяснить, как электроны образуют пары в высокотемпературных сверхпроводниках.
В сверхпроводимости электроны объединяются, чтобы создать «куперовские пары», что позволяет им перемещаться через материал парами без какого-либо взаимодействия с окружающей средой.
Но что заставляет два электрона образовывать пары, когда их заряд фактически заставляет их отталкиваться друг от друга?? Для обычных сверхпроводников есть физическое объяснение: «Электроны образуют пары из-за колебаний кристаллической решетки», – объясняет проф. Стефан Кайзер, один из основных авторов исследования, изучающий динамику сверхпроводников в MPI-FKF и Штутгартском университете.
Один электрон искажает кристаллическую решетку, которая затем притягивает второй электрон. Однако для купратов до сих пор неясно, какой механизм действует вместо колебаний решетки. "Одна из гипотез состоит в том, что спаривание происходит из-за флуктуирующих спинов, я.е. магнитное взаимодействие ", – объясняет Кайзер. «Но ключевой вопрос: можно ли напрямую измерить их влияние на сверхпроводимость и, в частности, на свойства куперовских пар??"
В этот момент на сцену выходят «осцилляции Хиггса»: в физике высоких энергий они объясняют, почему элементарные частицы имеют массу.
Но они также встречаются в сверхпроводниках, где их можно возбуждать сильными лазерными импульсами. Они представляют собой колебания параметра порядка – меры сверхпроводящего состояния материала, другими словами, плотности куперовских пар.
Достаточно теории. Первое экспериментальное доказательство удалось несколько лет назад, когда исследователи из Токийского университета использовали ультракороткий световой импульс для возбуждения колебаний Хиггса в обычных сверхпроводниках – например, приведения в движение маятника.
Однако для высокотемпературных сверхпроводников такого одноразового импульса недостаточно, поскольку система слишком сильно затухает из-за взаимодействий между сверхпроводящими и несверхпроводящими электронами и сложной симметрией параметра порядка.
Источник света терагерцового диапазона заставляет систему колебаться
Благодаря спектроскопии Хиггса исследовательский консорциум вокруг MPI-FKF и HZDR достиг экспериментального прорыва в области высокотемпературных сверхпроводников. Их трюк состоял в том, чтобы использовать многоциклический, чрезвычайно сильный терагерцовый импульс, который оптимально настроен на колебания Хиггса и может поддерживать их, несмотря на факторы демпфирования, постоянно подталкивая метафорический маятник.
Благодаря высокопроизводительному терагерцовому источнику света TELBE в HZDR исследователи могут посылать 100000 таких импульсов через образцы в секунду. «Наш источник является уникальным в мире благодаря своей высокой интенсивности в терагерцовом диапазоне в сочетании с очень высокой частотой повторения», – поясняет Дейнерт. "Теперь мы можем выборочно управлять колебаниями Хиггса и очень точно их измерять."
Этот успех обязан тесному сотрудничеству ученых-теоретиков и ученых-экспериментаторов.
Идея родилась в MPI-FKF; эксперимент проводился командой TELBE во главе с доктором. Ян-Кристоф Дейнерт и доктор. Сергей Ковалев в HZDR под руководством тогдашнего руководителя группы профессора.
Михаэль Генш, который сейчас занимается исследованиями в Немецком аэрокосмическом центре и Берлинском техническом университете: «Эксперименты имеют особое значение для научного применения крупномасштабных исследовательских установок в целом. Они демонстрируют, что мощный источник терагерцового диапазона, такой как TELBE, может выполнять сложные исследования с использованием нелинейной терагерцовой спектроскопии на сложной серии образцов, таких как купраты."
Вот почему исследовательская группа ожидает увидеть высокий спрос в будущем: «Спектроскопия Хиггса как методологический подход открывает совершенно новые возможности», – объясняет д-р. Хао Чу, основной автор исследования и постдок в Центре квантовых материалов Макса Планка-UBC-UTokyo. "Это отправная точка для серии экспериментов, которые позволят по-новому взглянуть на эти сложные материалы. Теперь мы можем использовать очень системный подход."
Чуть выше критической температуры: где начинается сверхпроводимость?
Проведя несколько серий измерений, исследователи впервые доказали, что их метод работает для типичных купратов. Ниже критической температуры группа исследователей не только смогла возбудить колебания Хиггса, но и доказала, что новое, ранее не наблюдаемое возбуждение взаимодействует с колебаниями Хиггса куперовских пар.
Дальнейшие эксперименты должны будут выявить, являются ли эти взаимодействия магнитными, что яростно обсуждается в экспертных кругах. Кроме того, исследователи увидели признаки того, что куперовские пары также могут образовываться при температуре выше критической, хотя и без одновременных колебаний. Другие методы измерения ранее предполагали возможность такого раннего образования пар.
Спектроскопия Хиггса может подтвердить эту гипотезу и прояснить, когда и как образуются пары и что заставляет их колебаться вместе в сверхпроводнике.