Lyskontrollerede Higgs-tilstande findes i superledere; potentiale sensor, computerbrug

Selvom du ikke var fysikstuderende, du har sikkert hørt noget om Higgs boson.

Der var titlen på en bog fra 1993 af nobelpristageren Leon Lederman, der kaldte Higgs "The God Particle". Der var eftersøgningen efter Higgs-partiklen, der startede efter 2009's første kollisioner inde i Large Hadron Collider i Europa. Der var meddelelsen i 2013, at Peter Higgs og Francois Englert vandt Nobelprisen i fysik for uafhængigt at teoretisere i 1964, at en fundamental partikel - Higgs - er kilden til masse i subatomære partikler, gør universet, som vi kender det, muligt.

(Plus, der er fysikerne fra Iowa State University på forfatterlisten til et forskningspapir fra 2012, der beskriver, hvordan ATLAS-eksperimentet ved kollideren observerede en ny partikel, der senere blev bekræftet at være Higgs.)

Og nu Jigang Wang, en professor i fysik og astronomi ved Iowa State og en seniorforsker ved det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory, og et team af forskere har opdaget en form for den berømte partikel i en superleder, et materiale, der er i stand til at lede elektricitet uden modstand, generelt ved meget kolde temperaturer.

Wang og hans samarbejdspartnere – inklusive Chang-Beom Eom, Raymond R. Holton Chair for Engineering og Theodore H. Geballe professor ved University of Wisconsin-Madison; Ilias Perakis, professor og formand for fysik ved University of Alabama i Birmingham; og Eric Hellstrøm, professor og midlertidig formand for maskinteknik ved Florida State University - rapporter detaljerne i et papir for nylig offentliggjort online af tidsskriftet Naturkommunikation .

De skriver, at de i laboratorieeksperimenter har fundet en kortvarig "Higgs-tilstand" inden for jernbaseret, høj temperatur (men stadig meget kold), multi-energi bånd, ukonventionelle superledere.

En kvanteopdagelse

Denne Higgs-tilstand er en tilstand af stof fundet på kvanteskalaen af ​​atomer, deres elektroniske tilstande og energiske excitationer. Tilstanden kan tilgås og styres af laserlys, der blinker på superlederen ved terahertz-frekvenser på billioner af pulser i sekundet. Higgs-tilstandene kan skabes inden for forskellige energibånd og stadig interagere med hinanden.

Wang sagde, at denne Higgs-tilstand i en superleder potentielt kunne bruges til at udvikle nye kvantesensorer.

"Det er ligesom Large Hadron Collider kan bruge Higgs-partiklen til at detektere mørk energi eller antistof for at hjælpe os med at forstå universets oprindelse, " sagde Wang. "Og vores Higgs-tilstandssensorer på bordpladen har potentialet til at hjælpe os med at opdage de skjulte hemmeligheder om materiens kvantetilstande."

Den forståelse, Wang sagde, kunne fremme en ny "kvanterevolution" for højhastighedscomputere og informationsteknologier.

"Det er en måde så eksotisk, mærkelig, kvanteverden kan anvendes på det virkelige liv, " sagde Wang.

Lysstyring af superledere

Projektet tager en trestrenget tilgang til at få adgang til og forstå de særlige egenskaber, såsom denne Higgs-tilstand, skjult i superledere:

Wangs forskergruppe bruger et værktøj kaldet kvanteterahertz-spektroskopi til at visualisere og styre elektronpar, der bevæger sig gennem en superleder. Værktøjet bruger laserblink som en kontrolknap til at accelerere superstrømme og få adgang til nye og potentielt nyttige kvantetilstande af stof.

Eoms gruppe udviklede synteseteknikken, der producerer krystallinske tynde film af den jernbaserede superleder med høj nok kvalitet til at afsløre Higgs-tilstanden. Hellstroms gruppe udviklede aflejringskilder til den jernbaserede superledende tyndfilmfremkaldelse.

Perakis' gruppe ledede udviklingen af ​​kvantemodeller og teorier for at forklare resultaterne af eksperimenterne og for at simulere de fremtrædende træk, der kommer fra Higgs-tilstanden.

Arbejdet er blevet støttet af et tilskud til Wang fra National Science Foundation og tilskud til Eom og Perakis fra det amerikanske energiministerium.

"Tværfaglig videnskab er nøglen her, " sagde Perakis. "Vi har kvantefysik, materialevidenskab og teknik, kondenseret stof fysik, lasere og fotonik med inspiration fra fundamentale, højenergi og partikelfysik."

Der er gode, praktiske grunde til, at forskere inden for alle disse områder arbejder sammen om projektet. I dette tilfælde, studerende fra de fire forskningsgrupper arbejdede sammen med deres rådgivere for at opnå denne opdagelse.

"Forskere og ingeniører, " Wang skrev i et forskningsresumé, "har for nylig indset, at visse materialer, såsom superledere, har egenskaber, der kan udnyttes til anvendelser inden for kvanteinformation og energividenskab, f.eks., forarbejdning, indspilning, opbevaring og kommunikation."