Dall'energia sostenibile ai computer quantistici:i superconduttori ad alta temperatura hanno il potenziale per rivoluzionare le tecnologie odierne. Nonostante un'intensa ricerca, però, ci manca ancora la conoscenza di base necessaria per sviluppare questi materiali complessi per un'applicazione diffusa. La "spettroscopia di Higgs" potrebbe provocare uno spartiacque poiché rivela la dinamica degli elettroni accoppiati nei superconduttori. Un consorzio di ricerca internazionale incentrato sull'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e il Max Planck Institute for Solid State Research (MPI-FKF) presenta ora il nuovo metodo di misurazione sulla rivista Comunicazioni sulla natura . Sorprendentemente, la dinamica rivela anche tipici precursori della superconduttività anche al di sopra della temperatura critica alla quale i materiali studiati raggiungono la superconduttività.

I superconduttori trasportano corrente elettrica senza perdita di energia. Il loro utilizzo potrebbe ridurre drasticamente il nostro fabbisogno energetico, se non fosse per il fatto che la superconduttività richiede temperature di -140 gradi Celsius e inferiori. I materiali "accendono" la loro superconduttività solo al di sotto di questo punto. Tutti i superconduttori conosciuti richiedono metodi di raffreddamento elaborati, che li rende poco pratici per gli scopi quotidiani. C'è la promessa di progressi nei superconduttori ad alta temperatura come i cuprati, materiali innovativi a base di ossido di rame. Il problema è che, nonostante molti anni di sforzi di ricerca, la loro esatta modalità di funzionamento rimane poco chiara. La spettroscopia di Higgs potrebbe cambiarlo.

La spettroscopia di Higgs consente nuove intuizioni sulla superconduttività ad alta temperatura

"La spettroscopia di Higgs ci offre una "lente d'ingrandimento" completamente nuova per esaminare i processi fisici, " Riferisce il Dr. Jan-Christoph Deinert. Il ricercatore dell'HZDR Institute of Radiation Physics sta lavorando al nuovo metodo insieme ai colleghi dell'MPI-FKF, le Università di Stoccarda e Tokyo, e altri istituti di ricerca internazionali. Ciò che gli scienziati sono più ansiosi di scoprire è come gli elettroni formino coppie nei superconduttori ad alta temperatura.

Nella superconduttività, gli elettroni si combinano per creare "coppie Cooper, " che consente loro di muoversi a coppie attraverso il materiale senza alcuna interazione con il loro ambiente. Ma cosa fa accoppiare due elettroni quando la loro carica effettivamente li fa respingere l'un l'altro? Per i superconduttori convenzionali, c'è una spiegazione fisica:"Gli elettroni si accoppiano a causa delle vibrazioni del reticolo cristallino, " spiega il prof. Stefan Kaiser, uno dei principali autori dello studio, che sta effettuando ricerche sulla dinamica dei superconduttori presso l'MPI-FKF e l'Università di Stoccarda. Un elettrone distorce il reticolo cristallino, che poi attrae il secondo elettrone. Per cuprati, però, finora non è stato chiaro quale meccanismo agisca al posto delle vibrazioni del reticolo. "Un'ipotesi è che l'accoppiamento sia dovuto a spin fluttuanti, cioè interazione magnetica, "Spiega Kaiser. "Ma la domanda chiave è:la loro influenza sulla superconduttività e in particolare sulle proprietà delle coppie Cooper può essere misurata direttamente?"

A questo punto entrano in scena le "oscillazioni di Higgs":nella fisica delle alte energie, spiegano perché le particelle elementari hanno massa. Ma si verificano anche nei superconduttori, dove possono essere eccitati da forti impulsi laser. Rappresentano le oscillazioni del parametro d'ordine:la misura dello stato superconduttivo di un materiale, in altre parole, la densità delle coppie di Cooper. Alla faccia della teoria. Una prima prova sperimentale è riuscita alcuni anni fa, quando i ricercatori dell'Università di Tokyo hanno utilizzato un impulso di luce ultracorto per eccitare le oscillazioni di Higgs nei superconduttori convenzionali, come mettere in movimento un pendolo. Per i superconduttori ad alta temperatura, però, un tale impulso una tantum non basta, poiché il sistema è troppo smorzato dalle interazioni tra gli elettroni superconduttori e non superconduttori e dalla complicata simmetria del parametro di ordinamento.

La sorgente luminosa Terahertz mantiene il sistema oscillante

Grazie alla spettroscopia di Higgs, il consorzio di ricerca intorno a MPI-FKF e HZDR ha ora raggiunto la svolta sperimentale per i superconduttori ad alta temperatura. Il loro trucco era usare un multi-ciclico, impulso terahertz estremamente forte che è sintonizzato in modo ottimale sull'oscillazione di Higgs e può mantenerlo nonostante i fattori di smorzamento, stimolando continuamente il pendolo metaforico. Con la sorgente luminosa terahertz ad alte prestazioni TELBE a HZDR, i ricercatori sono in grado di inviare 100, 000 tali impulsi attraverso i campioni al secondo. "La nostra sorgente è unica al mondo grazie alla sua elevata intensità nella gamma dei terahertz combinata con un tasso di ripetizione molto elevato, " Spiega Deinert. "Ora possiamo guidare selettivamente le oscillazioni di Higgs e misurarle in modo molto preciso".

Questo successo è dovuto alla stretta collaborazione tra scienziati teorici e sperimentali. L'idea è nata all'MPI-FKF; l'esperimento è stato condotto dal team TELBE, guidato dal Dr. Jan-Christoph Deinert e dal Dr. Sergey Kovalev all'HZDR sotto l'allora capogruppo Prof. Michael Gensch, che ora sta effettuando ricerche presso il German Aerospace Center e TU Berlin:"Gli esperimenti sono di particolare importanza per l'applicazione scientifica delle strutture di ricerca su larga scala in generale. Dimostrano che una sorgente terahertz ad alta potenza come TELBE può gestire un'indagine complessa utilizzando la spettroscopia terahertz non lineare su una serie complicata di campioni, come cuprati."

Ecco perché il team di ricerca si aspetta di vedere una forte domanda in futuro:"La spettroscopia di Higgs come approccio metodologico apre potenziali completamente nuovi, " spiega il dottor Hao Chu, autore principale dello studio e postdoc presso il Max Planck-UBC-UTokyo Center for Quantum Materials. "È il punto di partenza per una serie di esperimenti che forniranno nuove informazioni su questi materiali complessi. Ora possiamo adottare un approccio molto sistematico".

Appena sopra la temperatura critica:dove inizia la superconduttività?

Effettuando diverse serie di misurazioni, i ricercatori hanno prima dimostrato che il loro metodo funziona per i cuprati tipici. Al di sotto della temperatura critica, il team di ricerca non solo è stato in grado di eccitare le oscillazioni di Higgs, ma ha anche dimostrato che un nuovo, l'eccitazione precedentemente non osservata interagisce con le oscillazioni di Higgs delle coppie di Cooper. Ulteriori esperimenti dovranno rivelare se queste interazioni sono interazioni magnetiche, come ferocemente dibattuto nei circoli di esperti. Per di più, i ricercatori hanno visto indicazioni che le coppie Cooper possono anche formarsi al di sopra della temperatura critica, pur senza oscillare insieme. Altri metodi di misurazione hanno precedentemente suggerito la possibilità di tale formazione precoce di coppie. La spettroscopia di Higgs potrebbe supportare questa ipotesi e chiarire quando e come si formano le coppie e cosa le fa oscillare insieme nel superconduttore.