De la energía sostenible a las computadoras cuánticas: los superconductores de alta temperatura tienen el potencial de revolucionar las tecnologías actuales. Sin embargo, a pesar de la intensa investigación, aún nos falta la comprensión básica necesaria para desarrollar estos materiales complejos para una aplicación generalizada. "La espectroscopía de Higgs" podría generaruna cuenca hidrográfica, ya que revela la dinámica de los electrones emparejados en superconductores.
Un consorcio de investigación internacional centrado en el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR y el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido MPI-FKF ahora presenta el nuevo método de medición en la revista Comunicaciones de la naturaleza . Sorprendentemente, la dinámica también revela los 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 requerimientos de energía, si no fuera por el hecho de que la superconductividad requiere temperaturas de -140 grados Celsius y menos. Los materiales solo 'activan' su superconductividaddebajo de este punto. Todos los superconductores conocidos requieren métodos de enfriamiento elaborados, lo que los hace poco prácticos para los propósitos cotidianos. Hay una promesa de progreso en los superconductores de alta temperatura como los cupratos, materiales innovadores basados en óxido de cobre. El problema es que a pesar de muchos años de investigaciónesfuerzos, su modo exacto de operación sigue sin estar claro. La espectroscopía de Higgs podría cambiar eso.
la espectroscopía de Higgs permite nuevas ideas sobre la superconductividad a alta temperatura
"La espectroscopía de Higgs nos ofrece una 'lupa' completamente nueva para examinar los procesos físicos", informa el Dr. Jan-Christoph Deinert. El investigador del Instituto de Física de Radiación del 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 la 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 realmente los hace repeler entre sí?Los superconductores tienen 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 investiga la dinámica de los superconductores en MPI-FKF y la Universidad deStuttgart. Un electrón distorsiona la red cristalina, que luego atrae al segundo electrón. Sin embargo, para los cupratos, hasta ahora no está claro qué mecanismo actúa en lugar de las vibraciones de la red. "Una hipótesis es que el emparejamiento se debe a giros fluctuantes,es decir, interacción magnética ", explica Kaiser." Pero la pregunta clave es: ¿puede medirse su influencia en la superconductividad y, en particular, en las propiedades de los pares de Cooper?y? "
En este punto, las "oscilaciones de Higgs" entran en escena: en física de alta energía, explican por qué las partículas elementales tienen masa. Pero también se producen en superconductores, donde pueden ser excitados por fuertes pulsos láser. Representan las oscilaciones deparámetro de orden: la medida del estado superconductor de un material, en otras palabras, la densidad de los pares de Cooper. Eso en cuanto a la teoría. Una primera prueba experimental tuvo éxito hace unos años cuando los investigadores de la Universidad de Tokio utilizaron un pulso de luz ultracortopara excitar las oscilaciones de Higgs en superconductores convencionales, como poner un péndulo en movimiento. Sin embargo, para superconductores de alta temperatura, tal impulso único no es suficiente, ya que el sistema se amortigua demasiado por las interacciones entre superconductores y no superconductores.electrones y la complicada simetría del parámetro de ordenación.
la fuente de luz Terahercios mantiene el sistema oscilante
Gracias a la espectroscopía de Higgs, el consorcio de investigación en torno a MPI-FKF y HZDR ahora ha logrado el avance experimental para los superconductores de alta temperatura. Su truco fue utilizar un pulso de terahercios extremadamente fuerte y multicíclico que se ajusta de manera óptima a la oscilación de Higgspuede mantenerlo a pesar de los factores de amortiguación, empujando 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 mundodebido a su alta intensidad en el rango de terahercios combinado con una tasa de repetición muy alta ", explica Deinert." Ahora podemos manejar 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 surgió 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 en ese momentoEl líder del grupo, el profesor 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 las instalaciones de investigación a gran escala en general. Demuestran que una fuente de terahercios de alta potencia comoya que TELBE puede manejar una investigación compleja utilizando espectroscopía de terahercios no lineal 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 espectroscopía de Higgs como un enfoque metodológico abre potenciales completamente nuevos", explica el Dr. Hao Chu, autor principal del estudio y postdoc en el Max Planck-UBC-UTokyo Center for Quantum Materials. "Es el punto de partida de una serie de experimentos que proporcionarán nuevas ideas sobre estos materiales complejos. Ahora podemos adoptar un enfoque muy sistemático".
Justo por encima de la temperatura crítica: ¿dónde comienza la superconductividad?
Realizando varias series de mediciones, los investigadores primero probaron 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, sino que también demostró que una nueva excitación previamente no observada interactúa con elLas 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. Además, los investigadores vieron indicios de que los pares de Cooper también pueden formarse por encima de la temperatura crítica, aunque sin oscilar entre sí.los métodos de medición han sugerido previamente la posibilidad de una formación tan temprana de pares. La espectroscopía de Higgs podría respaldar esta hipótesis y aclarar cuándo y cómo se forman los pares y qué hace que oscilen juntos en el superconductor.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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