De energia sustentável a computadores quânticos:os supercondutores de alta temperatura têm o potencial de revolucionar as tecnologias atuais. Apesar da pesquisa intensiva, Contudo, ainda não temos o conhecimento básico necessário para desenvolver esses materiais complexos para ampla aplicação. A "espectroscopia de Higgs" pode causar um divisor de águas, pois revela a dinâmica de pares de elétrons em supercondutores. Um consórcio de pesquisa internacional centrado em Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e o Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido (MPI-FKF) está apresentando o novo método de medição na revista Nature Communications . Notavelmente, a dinâmica também revela precursores típicos da supercondutividade, mesmo acima da temperatura crítica na qual os materiais investigados atingem a supercondutividade.

Supercondutores transportam corrente elétrica sem perda de energia. Utilizá-los poderia reduzir drasticamente nossos requisitos de energia - se não fosse pelo fato de que a supercondutividade requer temperaturas de -140 graus Celsius e abaixo. Os materiais apenas 'ativam' sua supercondutividade abaixo deste ponto. Todos os supercondutores conhecidos requerem métodos de resfriamento elaborados, o que os torna impraticáveis ​​para os fins do dia a dia. Há promessa de progresso em supercondutores de alta temperatura, como cupratos - materiais inovadores baseados em óxido de cobre. O problema é que, apesar de muitos anos de esforços de pesquisa, seu modo exato de operação permanece obscuro. A espectroscopia de Higgs pode mudar isso.

A espectroscopia de Higgs permite novos insights sobre a supercondutividade de alta temperatura

"A espectroscopia de Higgs nos oferece uma 'lupa' totalmente nova para examinar os processos físicos, "Relatórios do Dr. Jan-Christoph Deinert. O pesquisador do HZDR Institute of Radiation Physics está trabalhando no novo método junto com colegas do MPI-FKF, as Universidades de Stuttgart e Tóquio, e outras instituições internacionais de pesquisa. O que os cientistas estão mais interessados ​​em descobrir é como os elétrons formam pares em supercondutores de alta temperatura.

Em supercondutividade, elétrons se combinam para criar "pares de Cooper, "que permite que eles se movam pelo material em pares, sem qualquer interação com seu ambiente. Mas o que faz dois elétrons se emparelharem quando sua carga realmente os faz se repelir? Para supercondutores convencionais, há uma explicação física:"Os elétrons se emparelham por causa das vibrações da rede cristalina, "explica o Prof. Stefan Kaiser, um dos principais autores do estudo, que está pesquisando a dinâmica em supercondutores no MPI-FKF e na Universidade de Stuttgart. Um elétron distorce a estrutura do cristal, que então atrai o segundo elétron. Para cuprates, Contudo, não ficou claro qual mecanismo atua no lugar das vibrações da rede. "Uma hipótese é que o emparelhamento se deve a giros flutuantes, ou seja, interação magnética, "Kaiser explica." Mas a questão-chave é:a influência deles na supercondutividade e, em particular, nas propriedades dos pares de Cooper pode ser medida diretamente? "

Neste ponto, as "oscilações de Higgs" entram em cena:na física de alta energia, eles explicam por que as partículas elementares têm massa. Mas eles também ocorrem em supercondutores, onde eles podem ser excitados por fortes pulsos de laser. Eles representam as oscilações do parâmetro de ordem - a medida do estado supercondutor de um material, em outras palavras, a densidade dos pares Cooper. Tanto para a teoria. Uma primeira prova experimental teve sucesso alguns anos atrás, quando pesquisadores da Universidade de Tóquio usaram um pulso de luz ultracurto para excitar as oscilações de Higgs em supercondutores convencionais - como colocar um pêndulo em movimento. Para supercondutores de alta temperatura, Contudo, tal pulso único não é suficiente, já que o sistema é muito amortecido pelas interações entre os elétrons supercondutores e não supercondutores e a complicada simetria do parâmetro de ordenação.

A fonte de luz Terahertz mantém o sistema oscilando

Graças à espectroscopia de Higgs, o consórcio de pesquisa em torno de MPI-FKF e HZDR alcançou agora o avanço experimental para supercondutores de alta temperatura. O truque deles era usar um multi-cíclico, pulso de terahertz extremamente forte que é perfeitamente sintonizado para a oscilação de Higgs e pode mantê-lo apesar dos fatores de amortecimento - continuamente estimulando o pêndulo metafórico. Com a fonte de luz terahertz de alto desempenho TELBE em HZDR, os pesquisadores podem enviar 100, 000 desses pulsos através das amostras por segundo. "Nossa fonte é única no mundo devido à sua alta intensidade na faixa de terahertz combinada com uma taxa de repetição muito alta, "Deinert explica." Agora podemos direcionar seletivamente as oscilações de Higgs e medi-las com muita precisão. "

Esse sucesso se deve à estreita cooperação entre cientistas teóricos e experimentais. A ideia nasceu na MPI-FKF; o experimento foi conduzido pela equipe TELBE, liderado pelo Dr. Jan-Christoph Deinert e Dr. Sergey Kovalev no HZDR sob o então líder do grupo Prof. Michael Gensch, que agora está pesquisando no Centro Aeroespacial Alemão e na TU Berlin:"Os experimentos são de particular importância para a aplicação científica de instalações de pesquisa em grande escala em geral. Eles demonstram que uma fonte de terahertz de alta potência como a TELBE pode lidar com uma investigação complexa usando espectroscopia terahertz não linear em uma série complicada de amostras, como cuprates. "

É por isso que a equipe de pesquisa espera ver uma alta demanda no futuro:"A espectroscopia de Higgs como uma abordagem metodológica abre potenciais totalmente novos, "explica o Dr. Hao Chu, autor principal do estudo e pós-doutorado no Max Planck-UBC-UTokyo Center for Quantum Materials. "É o ponto de partida para uma série de experimentos que fornecerão novos insights sobre esses materiais complexos. Agora podemos adotar uma abordagem muito sistemática."

Logo acima da temperatura crítica:onde começa a supercondutividade?

Realizando várias séries de medições, os pesquisadores primeiro provaram que seu método funciona para cupratos típicos. Abaixo da temperatura crítica, a equipe de pesquisa não foi apenas capaz de excitar as oscilações de Higgs, mas também provou que um novo, a excitação não observada anteriormente interage com as oscilações de Higgs dos pares de Cooper. Outros experimentos terão que revelar se essas interações são interações magnéticas, como é ferozmente debatido nos círculos de especialistas. Além disso, os pesquisadores viram indicações de que os pares Cooper também podem se formar acima da temperatura crítica, embora sem oscilar juntos. Outros métodos de medição sugeriram anteriormente a possibilidade dessa formação precoce de pares. A espectroscopia de Higgs poderia apoiar esta hipótese e esclarecer quando e como os pares se formam e o que os faz oscilar juntos no supercondutor.