El bosón de Higgs y la superconductividad
La nueva forma de espectroscopia proporciona conocimientos para el desarrollo del transporte de corriente sin resistencia a temperatura ambiente
Sin el mecanismo de Higgs, las partículas no tendrían masa. El bosón de Higgs, que fue descubierto en 2012, por lo tanto, también se conoce como la "partícula de Dios". Surge como una excitación oscilante del campo de Higgs, que penetra en el mundo. La superconductividad muestra propiedades similares. Su onda mecánica cuántica, en la que los electrones conectados para formar pares de Cooper esencialmente "surfean", pueden ser excitados a las oscilaciones de Higgs con un fuerte láser. Estas oscilaciones entonces emiten una señal que proporciona información completa sobre este estado cuántico colectivo. Esto puede ayudar a desentrañar el misterio de la superconductividad de alta temperatura. La espectroscopia de Higgs fue desarrollada por el centro internacional Max Planck-UBC-UTokyo para materiales cuánticos en el que participa el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart.
Así es como las oscilaciones de Higgs se excitan en un superconductor. En el centro, se puede ver el par de Cooper con forma de mancuerna (gris). Por un lado, el pulso de láser de terahercio que viene de la parte superior izquierda hace que rote, es decir, alrededor del eje amarillo con momento angular L. Luego comienza a oscilar dentro de sí mismo como lo indica el resorte en forma de zigzag en el diagrama. Estas son las oscilaciones reales de Higgs. Esta superposición conduce a simetrías características de vibración, especialmente en superconductores de alta temperatura. Emiten una señal al triple de la frecuencia del láser. Esta señal contiene información completa sobre el estado mecánico cuántico de la superconductividad.
© MPI for Solid State Research
Si la superconductividad a temperatura ambiente fuera posible en las aplicaciones técnicas, esto podría conducir a un enorme ahorro de energía. Cuando se descubrió la superconductividad a alta temperatura en la década de 1980, parecía que esto sería factible. Pero después de que se rompieran inicialmente los registros de temperatura, no hubo más avances con respecto a la temperatura a la que se produce la superconductividad. Los materiales que se convierten en superconductores a altas temperaturas - especialmente los cupratos descubiertos en aquel entonces - demostraron ser un hueso duro de roer para la física teórica. A diferencia de los superconductores convencionales de baja temperatura, los físicos no han podido explicar el mecanismo extremadamente complejo de la superconductividad a alta temperatura. Todavía no entienden por qué es relativamente resistente a la temperatura y cómo puede hacerse aún más tolerante al calor para que los materiales sean adecuados para el uso diario.
Un método experimental completamente nuevo, que la cooperación internacional Centro Max Planck-UBC-UTokyo para materiales cuánticos ha utilizado con éxito en superconductores de alta temperatura por primera vez, podría ayudar aquí. Esta cooperación con la Universidad de Columbia Británica (UBC) y la Universidad de Tokio fue cofundada hace 10 años por el Departamento de Bernhard Keimer en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart. En ese momento, estaba claro que la investigación de la superconductividad de alta temperatura era un maratón científico. La cooperación se ha esforzado por resolver este misterio.
Haciendo que el estado de tierra superconductor sea transparente
La superconductividad es un campo de investigación en la física del estado sólido. Los físicos del estado sólido están luchando con el problema fundamental de que las propiedades de los materiales sólo pueden ser investigadas con métodos indirectos. Este problema metódico se ha superado ahora utilizando la espectroscopia de Higgs. "Puede hacer que el estado terrestre superconductor - el objeto cuántico deseado - sea completamente transparente", dice Stefan Kaiser. El profesor de física encabeza el grupo de investigación conjunta de Espectroscopia Ultra-rápida de Estado Sólido del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido y la Universidad de Stuttgart. El experimento, en el que el método se demostró en superconductores de alta temperatura, tuvo lugar en el Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf, que está equipado con un potente láser que emite radiación en el rango de terahercios requerido. Esta es la misma radiación electromagnética subinfrarroja que vemos en los escáneres corporales de los aeropuertos.
La teoría que llevó al desarrollo de la nueva espectroscopia de Higgs fue desarrollada durante 10 años por el equipo de Dirk Manske. Es particularmente sorprendente que la física de partículas haya proporcionado ideas esenciales. "La investigación de la física de partículas es la tendencia actual en la física teórica del estado sólido", dice el profesor de física, que también es investigador en el Instituto de Stuttgart. Funcionó bien en este caso.
La física del estado sólido y la de las partículas se complementan entre sí
Ya a principios de los años 60, la física del estado sólido complementaba la física teórica de partículas en la forma del recientemente fallecido ganador del Premio Nobel de Física, Philip Anderson. Anderson fue un pionero extraordinariamente creativo de la física del estado sólido. También estaba interesado en la física de partículas. En 1962, publicó un artículo que demostraba cómo los fotones (o cuantos de luz) obtienen masa. Esto inspiró a Peter Higgs a publicar su teoría del campo de Higgs en 1964 y condujo a que él y François Englert recibieran el Premio Nobel de Física en 2013.
"En la física del estado sólido, hablamos del mecanismo de Anderson-Higgs", dice Kaiser. La espectroscopia de Higgs ha devuelto estas ideas a la física de estado sólido. Al igual que el bosón de Higgs, los pares de Cooper, que están formados por dos electrones cada uno y llevan superconductividad, pertenecen a la familia de la mecánica cuántica de los bosones. Los bosones tienden a ensamblarse en un estado cuántico común. Los pares de Cooper forman una gran onda de mecánica cuántica, un objeto cuántico colectivo que puede moverse a través del superconductor como una corriente eléctrica sin fricción.
Los pares de Cooper pueden ser considerados como mancuernas. Los electrones corresponden a los pesos, y la conexión entre ellos es el mango. "Pero funciona más como un resorte", subraya Manske. Los electrones del par de Cooper pueden así oscilar en contra o con el otro. "Estas son las oscilaciones de Higgs", explica el teórico. "Durante mucho tiempo, no estaba claro si eran incluso excitables en los pares de Cooper". Pero eso es exactamente lo que hace la espectroscopia de Higgs. Usando un poderoso rayo láser de terahertz en la frecuencia apropiada, fuerza a las mancuernas del par de Cooper a vibrar y las hace rotar. El colectivo de los pares de Cooper se comporta como un instrumento de cuerda que también produce sobretonos con su cuerpo resonante. "Los pares superconductores oscilan entonces al doble de la frecuencia de la luz láser y muestran simetrías características", explica Kaiser. "Al hacerlo, envían una señal al triple de la frecuencia".
El compromiso de las parejas de Cooper
El factor decisivo: esta señal contiene ahora información completa sobre el objeto cuántico del estado terrestre superconductor. El aspecto novedoso de la espectroscopia de Higgs es que de repente hace que la superconductividad sea transparente para el mundo exterior. Esto también aumenta las esperanzas de los investigadores de obtener finalmente una mejor comprensión del mecanismo de emparejamiento extremadamente resistente a la temperatura de la superconductividad de alta temperatura.
Los resultados iniciales en diferentes superconductores de cuprato muestran que incluso por encima de la temperatura a la que se produce la superconductividad, algunos electrones se unen para formar una especie de par de Cooper preformado. Una comprensión más detallada de este compromiso suelto de los electrones incluso antes de la unión del par de Cooper real podría quizás abrir un camino a la superconductividad a temperatura ambiente. Con la espectroscopia de Higgs, ha habido un "salto cuántico" en la investigación de la superconductividad.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
L. Schwarz, B. Fauseweh, N. Tsuji, N. Cheng, N. Bittner, H. Krull, M. Berciu, G. S. Uhrig, A. P. Schnyder, S. Kaiser und D. Manske; "Classification and characterization of nonequilibrium Higgs modes in unconventional superconductors"; Nature Communications; 11 January 2020.
H. Chu et al.; "Phase-resolved Higgs response in superconducting cuprates"; Nature Communications; 14 April 2020.
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