Zelfs als je geen hoofdvak natuurkunde was, je hebt vast wel eens iets gehoord over het Higgs-deeltje.

Er was de titel van een boek uit 1993 van Nobelprijswinnaar Leon Lederman dat de Higgs "The God Particle" noemde. Er was de zoektocht naar het Higgs-deeltje dat gelanceerd werd na de eerste botsingen van 2009 in de Large Hadron Collider in Europa. Er was de aankondiging in 2013 dat Peter Higgs en Francois Englert de Nobelprijs voor de natuurkunde wonnen omdat ze in 1964 onafhankelijk theoretiseerden dat een fundamenteel deeltje - het Higgs - de bron is van massa in subatomaire deeltjes, het universum zoals wij het kennen mogelijk maken.

(Plus, er zijn natuurkundigen van de Iowa State University op de auteurslijst van een onderzoekspaper uit 2012 waarin wordt beschreven hoe het ATLAS-experiment bij de botser een nieuw deeltje observeerde waarvan later werd bevestigd dat het de Higgs was.)

En nu Jigang Wang, een professor in de natuurkunde en astronomie aan de staat Iowa en een senior wetenschapper aan het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, en een team van onderzoekers heeft een vorm van het beroemde deeltje ontdekt in een supergeleider, een materiaal dat in staat is om elektriciteit te geleiden zonder weerstand, meestal bij zeer lage temperaturen.

Wang en zijn medewerkers, waaronder Chang-Beom Eom, de Raymond R. Holton Chair for Engineering en Theodore H. Geballe Professor aan de University of Wisconsin-Madison; Ilias Perakis, hoogleraar en leerstoel natuurkunde aan de Universiteit van Alabama in Birmingham; en Eric Hellström, professor en interim-voorzitter van werktuigbouwkunde aan de Florida State University - rapporteer de details in een paper dat onlangs online is gepubliceerd door het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Ze schrijven dat ze in laboratoriumexperimenten een kortstondige "Higgs-modus" hebben gevonden binnen op ijzer gebaseerde, hoge temperatuur (maar nog steeds erg koud), multi-energie band, onconventionele supergeleiders.

Een kwantumontdekking

Deze Higgs-modus is een toestand van materie gevonden op de kwantumschaal van atomen, hun elektronische toestanden en energetische excitaties. De modus kan worden geopend en bestuurd door laserlicht dat op de supergeleider flitst met terahertz-frequenties van biljoenen pulsen per seconde. De Higgs-modi kunnen binnen verschillende energiebanden worden gemaakt en nog steeds met elkaar communiceren.

Wang zei dat deze Higgs-modus in een supergeleider mogelijk kan worden gebruikt om nieuwe kwantumsensoren te ontwikkelen.

"Het is net alsof de Large Hadron Collider het Higgs-deeltje kan gebruiken om donkere energie of antimaterie te detecteren om ons te helpen de oorsprong van het universum te begrijpen, "Zei Wang. "En onze Higgs-modussensoren op het tafelblad hebben het potentieel om ons te helpen de verborgen geheimen van kwantumtoestanden van materie te ontdekken."

dat begrip, Wang zei, zou een nieuwe "kwantumrevolutie" voor high-speed computer- en informatietechnologieën kunnen bevorderen.

"Het is zo exotisch, vreemd, kwantumwereld kan worden toegepast op het echte leven, ' zei Wang.

Lichtregeling van supergeleiders

Het project hanteert een drieledige benadering om toegang te krijgen tot en inzicht te krijgen in de speciale eigenschappen, zoals deze Higgs-modus, verborgen in supergeleiders:

Wang's onderzoeksgroep gebruikt een tool genaamd quantum terahertz-spectroscopie om elektronenparen die door een supergeleider bewegen te visualiseren en te sturen. De tool gebruikt laserflitsen als bedieningsknop om superstromen te versnellen en toegang te krijgen tot nieuwe en potentieel bruikbare kwantumtoestanden van materie.

De groep van Eom ontwikkelde de synthesetechniek die kristallijne dunne films van de op ijzer gebaseerde supergeleider produceert met een kwaliteit die hoog genoeg is om de Higgs-modus te onthullen. Hellstrom's groep ontwikkelde afzettingsbronnen voor de ontwikkeling van supergeleidende dunne film op ijzerbasis.

De groep van Perakis leidde de ontwikkeling van kwantummodellen en theorieën om de resultaten van de experimenten te verklaren en de meest opvallende kenmerken van de Higgs-modus te simuleren.

Het werk is ondersteund door een subsidie ​​aan Wang van de National Science Foundation en subsidies aan Eom en Perakis van het Amerikaanse ministerie van Energie.

"Interdisciplinaire wetenschap is hier de sleutel, " zei Perakis. "We hebben kwantumfysica, materiaalkunde en techniek, fysica van de gecondenseerde materie, lasers en fotonica met inspiratie uit fundamentele, hoge-energie- en deeltjesfysica."

Er zijn goede, praktische redenen voor onderzoekers op al die terreinen om samen aan het project te werken. In dit geval, studenten van de vier onderzoeksgroepen werkten samen met hun adviseurs om tot deze ontdekking te komen.

"Wetenschappers en ingenieurs, " Wang schreef in een onderzoekssamenvatting, "zijn onlangs tot het besef gekomen dat bepaalde materialen, zoals supergeleiders, eigenschappen hebben die kunnen worden benut voor toepassingen in kwantuminformatie en energiewetenschap, bijv. verwerken, opnemen, opslag en communicatie."