Ny målemetode hjælper med at forstå fysikken i højtemperatursuperledning

Fra bæredygtig energi til kvantecomputere:højtemperatur-superledere har potentialet til at revolutionere nutidens teknologier. Trods intensiv forskning, imidlertid, vi mangler stadig den nødvendige grundlæggende forståelse for at udvikle disse komplekse materialer til udbredt anvendelse. "Higgs-spektroskopi" kunne skabe et vandskel, da det afslører dynamikken af ​​parrede elektroner i superledere. Et internationalt forskningskonsortium centreret omkring Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og Max Planck Institute for Solid State Research (MPI-FKF) præsenterer nu den nye målemetode i tidsskriftet Naturkommunikation . Bemærkelsesværdigt, dynamikken afslører også typiske forstadier til supraledelse selv over den kritiske temperatur, ved hvilken de undersøgte materialer opnår supraledelse.

Superledere transporterer elektrisk strøm uden tab af energi. At bruge dem kunne reducere vores energibehov dramatisk – hvis det ikke var for det faktum, at superledning kræver temperaturer på -140 grader Celsius og derunder. Materialer 'tænder' kun deres superledning under dette punkt. Alle kendte superledere kræver komplicerede kølemetoder, hvilket gør dem upraktiske til daglig brug. Der er løfte om fremskridt inden for høj temperatur superledere som f.eks. Cuprates - innovative materialer baseret på kobberoxid. Problemet er, at trods mange års forskningsindsats, deres nøjagtige funktionsmåde er stadig uklar. Higgs spektroskopi kan ændre det.

Higgs-spektroskopi tillader ny indsigt i superledning ved høje temperaturer

"Higgs spektroskopi tilbyder os et helt nyt 'lup' til at undersøge de fysiske processer, " Dr. Jan-Christoph Deinert rapporterer. Forskeren ved HZDR Institute of Radiation Physics arbejder på den nye metode sammen med kolleger fra MPI-FKF, universiteterne i Stuttgart og Tokyo, og andre internationale forskningsinstitutioner. Det, forskerne er mest ivrige efter at finde ud af, er, hvordan elektroner danner par i højtemperatur-superledere.

I superledningsevne, elektroner kombineres for at skabe "Cooper-par, "som gør dem i stand til at bevæge sig gennem materialet parvis uden interaktion med deres omgivelser. Men hvad får to elektroner til at parre sig, når deres ladning faktisk får dem til at afvise hinanden? For konventionelle superledere, der er en fysisk forklaring:"Elektronerne parrer sig på grund af krystalgittervibrationer, " forklarer prof. Stefan Kaiser, en af ​​hovedforfatterne til undersøgelsen, der forsker i dynamikken i superledere på MPI-FKF og universitetet i Stuttgart. Én elektron forvrænger krystalgitteret, som så tiltrækker den anden elektron. For cuprater, imidlertid, det har hidtil været uklart, hvilken mekanisme der virker i stedet for gittervibrationer. "En hypotese er, at parringen skyldes fluktuerende spins, dvs. magnetisk interaktion, " Kaiser forklarer. "Men nøglespørgsmålet er:Kan deres indflydelse på superledning og især på egenskaberne af Cooper-parrene måles direkte?"

På dette tidspunkt kommer "Higgs oscillations" ind på scenen:I højenergifysik, de forklarer, hvorfor elementarpartikler har masse. Men de forekommer også i superledere, hvor de kan exciteres af stærke laserimpulser. De repræsenterer oscillationerne af ordensparameteren - målet for et materiales superledende tilstand, med andre ord, tætheden af ​​Cooper-parrene. Så meget for teorien. Et første eksperimentelt bevis lykkedes for et par år siden, da forskere ved University of Tokyo brugte en ultrakort lysimpuls til at excitere Higgs-svingninger i konventionelle superledere - som at sætte et pendul i bevægelse. Til højtemperatur-superledere, imidlertid, sådan en engangspuls er ikke nok, da systemet er dæmpet for meget af interaktioner mellem de superledende og ikke-superledende elektroner og den komplicerede symmetri af ordensparameteren.

Terahertz lyskilde holder systemet i svingning

Takket være Higgs spektroskopi, forskningskonsortiet omkring MPI-FKF og HZDR har nu opnået det eksperimentelle gennembrud for høj temperatur superledere. Deres trick var at bruge en multicyklisk, ekstremt stærk terahertz-puls, der er optimalt afstemt til Higgs-oscillation og kan opretholde den på trods af dæmpningsfaktorerne - der konstant fremskynder det metaforiske pendul. Med den højtydende terahertz lyskilde TELBE ved HZDR, forskerne kan sende 100, 000 sådanne pulser gennem prøverne i sekundet. "Vores kilde er unik i verden på grund af dens høje intensitet i terahertz-området kombineret med en meget høj gentagelseshastighed, " Deinert forklarer. "Vi kan nu selektivt drive Higgs-oscillationer og måle dem meget præcist."

Denne succes skyldes et tæt samarbejde mellem teoretiske og eksperimentelle forskere. Ideen blev udklækket hos MPI-FKF; eksperimentet blev udført af TELBE-teamet, ledet af Dr. Jan-Christoph Deinert og Dr. Sergey Kovalev ved HZDR under daværende gruppeleder Prof. Michael Gensch, som nu forsker ved German Aerospace Center og TU Berlin:"Eksperimenterne er af særlig betydning for den videnskabelige anvendelse af store forskningsfaciliteter generelt. De viser, at en højeffekt terahertzkilde som TELBE kan håndtere en kompleks undersøgelse ved at bruge ikke-lineær terahertz-spektroskopi på en kompliceret serie af prøver, såsom kopier. "

Derfor forventer forskerholdet at se stor efterspørgsel i fremtiden:"Higgs-spektroskopi som metodisk tilgang åbner helt nye potentialer, " forklarer Dr. Hao Chu, primær forfatter af undersøgelsen og postdoc ved Max Planck-UBC-UTokyo Center for Quantum Materials. "Det er udgangspunktet for en række eksperimenter, der vil give ny indsigt i disse komplekse materialer. Vi kan nu tage en meget systematisk tilgang."

Lige over den kritiske temperatur:Hvor starter superledning?

Udfører flere måleserier, forskerne beviste først, at deres metode virker for typiske cuprates. Under den kritiske temperatur, forskerholdet var ikke kun i stand til at ophidse Higgs-svingninger, men også bevist, at en ny, tidligere uobserveret excitation interagerer med Cooper -parrenes Higgs -svingninger. Yderligere eksperimenter skal afsløre, om disse interaktioner er magnetiske interaktioner, som det diskuteres heftigt i ekspertkredse. Desuden, forskerne så tegn på, at Cooper -par også kan danne sig over den kritiske temperatur, dog uden at svinge sammen. Andre målemetoder har tidligere foreslået muligheden for en sådan tidlig pardannelse. Higgs-spektroskopi kunne understøtte denne hypotese og afklare, hvornår og hvordan parrene dannes, og hvad der får dem til at oscillere sammen i superlederen.