Desde la energía sostenible hasta las computadoras cuánticas:los superconductores de alta temperatura tienen el potencial de revolucionar las tecnologías actuales. A pesar de una intensa investigación, sin embargo, todavía carecemos de la comprensión básica necesaria para desarrollar estos materiales complejos para una aplicación generalizada. La "espectroscopia de Higgs" podría provocar un hito, ya que revela la dinámica de los electrones emparejados en los superconductores. Un consorcio de investigación internacional centrado en Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido (MPI-FKF) presenta ahora el nuevo método de medición en la revista. Comunicaciones de la naturaleza . Notablemente, la dinámica también revela precursores típicos de la superconductividad incluso por encima de la temperatura crítica a la que los materiales investigados alcanzan la superconductividad.

Los superconductores transportan corriente eléctrica sin pérdida de energía. Utilizarlos podría reducir drásticamente nuestros requisitos de energía, si no fuera por el hecho de que la superconductividad requiere temperaturas de -140 grados Celsius o menos. Los materiales solo "activan" su superconductividad por debajo de este punto. Todos los superconductores conocidos requieren métodos de enfriamiento elaborados, lo que los hace poco prácticos para los fines cotidianos. Existe una promesa de progreso en superconductores de alta temperatura como los cupratos, materiales innovadores basados ​​en óxido de cobre. El problema es que a pesar de muchos años de esfuerzos de investigación, su modo exacto de funcionamiento sigue sin estar claro. La espectroscopia de Higgs podría cambiar eso.

La espectroscopia de Higgs permite nuevos conocimientos sobre la superconductividad de alta temperatura

"La espectroscopia de Higgs nos ofrece una 'lupa' completamente nueva para examinar los procesos físicos, "Informes del Dr. Jan-Christoph Deinert. El investigador del Instituto de Física de Radiación HZDR está trabajando en el nuevo método junto con colegas del MPI-FKF, las universidades de Stuttgart y Tokio, y otras instituciones internacionales de investigación. Lo que los científicos están más interesados ​​en descubrir es cómo los electrones forman pares en superconductores de alta temperatura.

En superconductividad, los electrones se combinan para crear "pares de Cooper, "lo que les permite moverse a través del material en pares sin ninguna interacción con su entorno. Pero, ¿qué hace que dos electrones se emparejen cuando su carga en realidad los hace repeler entre sí? Para los superconductores convencionales, hay una explicación física:"Los electrones se emparejan debido a las vibraciones de la red cristalina, "explica el profesor Stefan Kaiser, uno de los principales autores del estudio, que está investigando la dinámica de los superconductores en MPI-FKF y la Universidad de Stuttgart. Un electrón distorsiona la red cristalina, que luego atrae al segundo electrón. Para cupratos, sin embargo, Hasta ahora no está claro qué mecanismo actúa en lugar de las vibraciones reticulares. "Una hipótesis es que el emparejamiento se debe a giros fluctuantes, es decir, interacción magnética, ", Explica Kaiser." Pero la pregunta clave es:¿se puede medir directamente su influencia sobre la superconductividad y, en particular, sobre las propiedades de los pares de Cooper? "

En este punto, las "oscilaciones de Higgs" entran en escena:en la física de altas energías, explican por qué las partículas elementales tienen masa. Pero también ocurren en superconductores, donde pueden ser excitados por fuertes pulsos de láser. Representan las oscilaciones del parámetro de orden, la medida del estado superconductor de un material, en otras palabras, la densidad de los pares de Cooper. Hasta aquí la teoría. Una primera prueba experimental tuvo éxito hace unos años cuando investigadores de la Universidad de Tokio utilizaron un pulso de luz ultracorto para excitar las oscilaciones de Higgs en superconductores convencionales, como poner un péndulo en movimiento. Para superconductores de alta temperatura, sin embargo, un pulso tan único no es suficiente, ya que el sistema está demasiado amortiguado por las interacciones entre los electrones superconductores y no superconductores y la complicada simetría del parámetro de ordenación.

La fuente de luz de terahercios mantiene el sistema en oscilación

Gracias a la espectroscopia de Higgs, el consorcio de investigación en torno a MPI-FKF y HZDR ha logrado ahora el avance experimental para superconductores de alta temperatura. Su truco consistía en utilizar un multicíclico, pulso de terahercios extremadamente fuerte que está óptimamente sintonizado con la oscilación de Higgs y puede mantenerlo a pesar de los factores de amortiguación, presionando continuamente el péndulo metafórico. Con la fuente de luz de terahercios de alto rendimiento TELBE en HZDR, los investigadores pueden enviar 100, 000 pulsos de este tipo a través de las muestras por segundo. "Nuestra fuente es única en el mundo debido a su alta intensidad en el rango de terahercios combinada con una tasa de repetición muy alta, ", Explica Deinert." Ahora podemos controlar selectivamente las oscilaciones de Higgs y medirlas con mucha precisión ".

Este éxito se debe a la estrecha cooperación entre científicos teóricos y experimentales. La idea nació en MPI-FKF; el experimento fue realizado por el equipo de TELBE, dirigido por el Dr. Jan-Christoph Deinert y el Dr. Sergey Kovalev en HZDR bajo el entonces líder del grupo, el Prof. Michael Gensch, que ahora está investigando en el Centro Aeroespacial Alemán y TU Berlín:"Los experimentos son de particular importancia para la aplicación científica de instalaciones de investigación a gran escala en general. Demuestran que una fuente de terahercios de alta potencia como TELBE puede manejar una investigación compleja utilizando espectroscopía no lineal de terahercios en una serie complicada de muestras, como los cupratos ".

Es por eso que el equipo de investigación espera ver una gran demanda en el futuro:"La espectroscopia de Higgs como enfoque metodológico abre potenciales completamente nuevos, "explica el Dr. Hao Chu, autor principal del estudio y postdoctorado en el Centro Max Planck-UBC-UTokyo de Materiales Cuánticos. "Es el punto de partida para una serie de experimentos que proporcionarán nuevos conocimientos sobre estos materiales complejos. Ahora podemos adoptar un enfoque muy sistemático".

Justo por encima de la temperatura crítica:¿dónde comienza la superconductividad?

Realización de varias series de mediciones, los investigadores primero demostraron que su método funciona para cupratos típicos. Por debajo de la temperatura crítica, El equipo de investigación no solo pudo excitar las oscilaciones de Higgs, pero también demostró que un nuevo, La excitación previamente no observada interactúa con las oscilaciones de Higgs de los pares de Cooper. Otros experimentos tendrán que revelar si estas interacciones son interacciones magnéticas, como se debate ferozmente en los círculos de expertos. Es más, los investigadores vieron indicios de que los pares de Cooper también se pueden formar por encima de la temperatura crítica, aunque sin oscilar juntos. Otros métodos de medición han sugerido previamente la posibilidad de una formación de pares tan temprana. La espectroscopia de Higgs podría apoyar esta hipótesis y aclarar cuándo y cómo se forman los pares y qué hace que oscilen juntos en el superconductor.