Van duurzame energie tot kwantumcomputers:hoge-temperatuur-supergeleiders hebben het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de technologieën van vandaag. Ondanks intensief onderzoek, echter, we missen nog steeds het noodzakelijke basisbegrip om deze complexe materialen te ontwikkelen voor wijdverbreide toepassing. "Higgs-spectroscopie" zou een keerpunt kunnen veroorzaken, omdat het de dynamiek van gepaarde elektronen in supergeleiders onthult. Een internationaal onderzoeksconsortium rond het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en het Max Planck Institute for Solid State Research (MPI-FKF) presenteert nu de nieuwe meetmethode in het tijdschrift Natuurcommunicatie . Opmerkelijk, de dynamiek onthult ook typische voorlopers van supergeleiding, zelfs boven de kritische temperatuur waarbij de onderzochte materialen supergeleiding bereiken.

Supergeleiders transporteren elektrische stroom zonder energieverlies. Het gebruik ervan zou onze energiebehoefte drastisch kunnen verminderen, ware het niet dat supergeleiding temperaturen van -140 graden Celsius en lager vereist. Pas onder dit punt 'zetten' materialen hun supergeleiding aan. Alle bekende supergeleiders vereisen uitgebreide koelmethoden, waardoor ze onpraktisch zijn voor alledaagse doeleinden. Er is een belofte van vooruitgang in supergeleiders voor hoge temperaturen, zoals cuprates, innovatieve materialen op basis van koperoxide. Het probleem is dat ondanks jarenlange onderzoeksinspanningen, hun exacte werkingswijze blijft onduidelijk. Higgs-spectroscopie zou daar verandering in kunnen brengen.

Higgs-spectroscopie biedt nieuwe inzichten in supergeleiding bij hoge temperaturen

"Higgs-spectroscopie biedt ons een heel nieuw 'vergrootglas' om de fysieke processen te onderzoeken, Dr. Jan-Christoph Deinert meldt. De onderzoeker van het HZDR Institute of Radiation Physics werkt samen met collega's van het MPI-FKF aan de nieuwe methode, de universiteiten van Stuttgart en Tokio, en andere internationale onderzoeksinstellingen. Wat de wetenschappers het meest willen weten, is hoe elektronen paren vormen in supergeleiders bij hoge temperatuur.

Bij supergeleiding, elektronen combineren om "Cooper-paren, " waardoor ze in paren door het materiaal kunnen bewegen zonder enige interactie met hun omgeving. Maar wat zorgt ervoor dat twee elektronen paren als hun lading ze elkaar daadwerkelijk laat afstoten? Voor conventionele supergeleiders, er is een fysieke verklaring:"De elektronen vormen paren door kristalroostervibraties, " legt prof. Stefan Kaiser uit, een van de hoofdauteurs van het onderzoek, die onderzoek doet naar de dynamiek in supergeleiders bij MPI-FKF en de Universiteit van Stuttgart. Eén elektron vervormt het kristalrooster, die vervolgens het tweede elektron aantrekt. Voor kopjes, echter, het is tot nu toe onduidelijk welk mechanisme werkt in de plaats van roostertrillingen. "Een hypothese is dat de koppeling te wijten is aan fluctuerende spins, d.w.z. magnetische interactie, " legt Kaiser uit. "Maar de belangrijkste vraag is:kan hun invloed op supergeleiding en in het bijzonder op de eigenschappen van de Cooper-paren direct worden gemeten?"

Op dit punt komen "Higgs-oscillaties" op het toneel:in de hoge-energiefysica, ze verklaren waarom elementaire deeltjes massa hebben. Maar ze komen ook voor in supergeleiders, waar ze kunnen worden opgewonden door sterke laserpulsen. Ze vertegenwoordigen de oscillaties van de ordeparameter - de maat voor de supergeleidende toestand van een materiaal, met andere woorden, de dichtheid van de Cooper-paren. Tot zover de theorie. Een eerste experimenteel bewijs slaagde een paar jaar geleden toen onderzoekers van de Universiteit van Tokio een ultrakorte lichtpuls gebruikten om Higgs-oscillaties op te wekken in conventionele supergeleiders, zoals het in beweging zetten van een slinger. Voor supergeleiders op hoge temperatuur, echter, zo'n eenmalige puls is niet genoeg, omdat het systeem te veel wordt gedempt door interacties tussen de supergeleidende en niet-supergeleidende elektronen en de gecompliceerde symmetrie van de ordeningsparameter.

Terahertz lichtbron houdt het systeem oscillerend

Dankzij Higgs-spectroscopie, het onderzoeksconsortium rond MPI-FKF en HZDR heeft nu de experimentele doorbraak voor hoge temperatuur supergeleiders bereikt. Hun truc was om een ​​multicyclische, extreem sterke terahertz-puls die optimaal is afgestemd op Higgs-oscillatie en deze ondanks de dempingsfactoren kan handhaven - voortdurend de metaforische slinger voortjagend. Met de krachtige terahertz-lichtbron TELBE bij HZDR, de onderzoekers kunnen 100, 000 van dergelijke pulsen door de monsters per seconde. "Onze bron is uniek in de wereld vanwege de hoge intensiteit in het terahertz-bereik gecombineerd met een zeer hoge herhalingssnelheid, Deinert legt uit. "We kunnen nu selectief Higgs-oscillaties aansturen en zeer nauwkeurig meten."

Dit succes is te danken aan een nauwe samenwerking tussen theoretische en experimentele wetenschappers. Het idee is ontstaan ​​bij MPI-FKF; het experiment werd uitgevoerd door het TELBE-team, onder leiding van Dr. Jan-Christoph Deinert en Dr. Sergey Kovalev bij HZDR onder de toenmalige groepsleider Prof. Michael Gensch, die nu onderzoek doet bij het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum en de TU Berlijn:"De experimenten zijn van bijzonder belang voor de wetenschappelijke toepassing van grootschalige onderzoeksfaciliteiten in het algemeen. Ze tonen aan dat een krachtige terahertz-bron zoals TELBE een complex onderzoek aankan met behulp van niet-lineaire terahertz-spectroscopie op een gecompliceerde reeks monsters, zoals cuprates."

Daarom verwacht het onderzoeksteam in de toekomst een grote vraag te zien:"Higgs-spectroscopie als methodologische benadering opent geheel nieuwe mogelijkheden, " legt Dr. Hao Chu uit, primaire auteur van de studie en postdoc bij het Max Planck-UBC-UTokyo Center for Quantum Materials. "Het is het startpunt voor een reeks experimenten die nieuwe inzichten zullen opleveren in deze complexe materialen. We kunnen nu heel systematisch te werk gaan."

Net boven de kritische temperatuur:waar begint supergeleiding?

Het uitvoeren van verschillende reeksen metingen, de onderzoekers bewezen eerst dat hun methode werkt voor typische cuprates. Onder de kritische temperatuur, het onderzoeksteam was niet alleen in staat om Higgs-oscillaties op te wekken, maar bewees ook dat een nieuwe, voorheen onopgemerkte excitatie interageert met de Higgs-oscillaties van de Cooper-paren. Verdere experimenten zullen moeten uitwijzen of deze interacties magnetische interacties zijn, zoals in expertkringen fel wordt gedebatteerd. Verder, zagen de onderzoekers aanwijzingen dat Cooperparen zich ook boven de kritische temperatuur kunnen vormen, zij het zonder samen te oscilleren. Andere meetmethoden hebben eerder de mogelijkheid van een dergelijke vroege paarvorming gesuggereerd. Higgs-spectroscopie zou deze hypothese kunnen ondersteunen en verduidelijken wanneer en hoe de paren zich vormen en waardoor ze samen in de supergeleider oscilleren.