理解高温超导物理学的突破

破译以前在超导体中看不见的动力学-希格斯光谱学可以使这成为可能：以高温超导体铜酸盐为例，一个国际研究人员团队已经证明了这种新测量方法的潜力。通过施加强大的太赫兹脉冲（ω频率），它们刺激并持续保持了材料中的希格斯振动ω（2）。驱动系统共振到希格斯振荡的本征频率，进而导致生成特征频率为三倍的太赫兹光（3）。ω

从可持续能源到量子计算机：高温超导体具有革新当今技术的潜力。尽管进行了深入的研究，但是，我们仍然缺乏必要的基本知识来开发用于广泛应用的这些复杂材料。“希格斯光谱”可能会引发分水岭，因为它揭示了超导体中成对电子的动力学。由Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）和马克斯·普朗克固体研究所（MPI-FKF）为中心的国际研究联盟目前正在《自然通讯》杂志上介绍这种新的测量方法。值得注意的是，动力学还揭示了超导电性的典型前体，甚至在所研究材料达到超导性的临界温度以上。

超导体在不损失能量的情况下传输电流。利用它们可以大大降低我们的能源需求-如果不是因为超导性要求温度在-140摄氏度以下，那么这是不对的。在此点以下，材料只能“打开”其超导性。所有已知的超导体都需要精心设计的冷却方法，这使得它们无法用于日常用途。高温超导体（例如铜酸盐）是有希望取得进展的，铜氧化物是一种基于氧化铜的创新材料。问题是，尽管经过多年的研究努力，它们的确切操作方式仍不清楚。希格斯光谱法可能会改变这一点。

希格斯光谱学为高温超导提供了新的见解

Jan-Christoph Deinert博士说：“希格斯光谱学为我们提供了一个全新的'放大镜'，用于检查物理过程。”HZDR辐射物理研究所的研究人员正在与MPI-FKF，斯图加特大学和东京大学以及其他国际研究机构的同事一起研究这种新方法。科学家最想发现的是电子如何在高温超导体中形成对。

在超导性中，电子结合形成“库珀对”，这使它们能够成对移动穿过材料，而不会与环境发生任何相互作用。但是，当两个电子实际上彼此排斥时，是什么使两个电子配对呢？对于常规的超导体，有一个物理解释：该研究的主要作者之一，正在研究MPI-FKF和斯图加特大学超导体动力学的Stefan Kaiser教授解释说：“电子由于晶格振动而配对。”一个电子扭曲了晶格，然后吸引了第二个电子。但是，对于铜酸盐，到目前为止，尚不清楚哪种机制代替晶格振动。Kaiser解释说：“一个假设是配对是由于自旋波动，即磁相互作用。”“但是关键问题是：可以直接测量它们对超导性，特别是对库珀对的性能的影响吗？”

此时，“希格斯振荡”进入阶段：在高能物理学中，他们解释了为什么基本粒子具有质量。但是它们也出现在超导体中，在那里它们可以被强激光脉冲激发。它们代表有序参数的振荡，即材料超导状态的量度，换句话说，就是库珀对的密度。理论上就这么多了。几年前，东京大学的研究人员使用超短光脉冲激发传统超导体中的希格斯振动，例如使钟摆运动，从而获得了第一个实验证明。但是，对于高温超导体，这样的单次脉冲是不够的，因为该系统因超导和非超导电子之间的相互作用以及有序参数的复杂对称性而被过多阻尼。

太赫兹光源使系统保持振荡

多亏了希格斯光谱学，围绕MPI-FKF和HZDR的研究联盟现已在高温超导体方面取得了实验性突破。他们的诀窍是使用一个多周期的，极强的太赫兹脉冲，该脉冲可以最佳地调谐到希格斯振荡，并且即使存在阻尼因素也可以保持该振荡-不断地推动隐喻摆。使用HZDR的高性能太赫兹光源TELBE，研究人员能够每秒通过样本发送100,000个这样的脉冲。“我们的光源在太赫兹范围内具有很高的强度，并且具有很高的重复率，因此在世界上是独一无二的，” Deinert解释说。“我们现在可以选择性地驱动希格斯振荡并非常精确地对其进行测量。”

这一成功归功于理论和实验科学家之间的紧密合作。这个想法是在MPI-FKF孵化出来的。该实验是由TELBE小组进行的，该小组由HZDR的Jan-Christoph Deinert博士和Sergey Kovalev博士领导，当时的小组负责人Michael Gensch教授目前正在德国航空航天中心和柏林工业大学进行研究：“总体而言，这些实验对于大规模研究设施的科学应用尤为重要。他们证明，像TELBE这样的大功率太赫兹源可以使用非线性太赫兹光谱对复杂的一系列样品（例如铜酸盐）进行复杂的研究。”

这就是为什么研究团队希望将来看到高需求的原因：该研究的主要作者，马克斯普朗克-UBC-UTokyo量子材料中心的博士后Hao Chu博士解释说：“希格斯光谱法作为一种方法学方法开辟了全新的潜力。“这是一系列实验的起点，这些实验将提供对这些复杂材料的新见解。我们现在可以采取非常系统的方法。”

刚好高于临界温度：超导从哪里开始？

研究人员进行了一系列测量，首先证明了他们的方法适用于典型的铜酸盐。在临界温度以下，研究团队不仅能够激发希格斯振荡，而且还证明了以前从未观察到的新的激励与库珀对的希格斯振荡相互作用。进一步的实验将必须揭示这些相互作用是否是磁性相互作用，这在专家圈中已被激烈争论。此外，研究人员发现有迹象表明，库珀对也可以在临界温度以上形成，尽管不会一起振荡。先前其他测量方法已经提出了这种早期对形成的可能性。希格斯光谱学可以支持这一假设，并阐明何时以及如何形成这些对，以及是什么导致它们在超导体中一起振荡。

参考：“郝超，金敏在，哥打克美，谢尔盖·科瓦列夫，罗伯特·戴维·道森，卢卡斯·施瓦茨，纳塔卡·吉川，吉迪恩·金，丹尼尔·普茨基，智中立，海伦·拉菲，西米扬·德史基斯基，Jan-Christoph Deinert，Nilesh Awari，Igor Ilyakov，Bertram Green，Min Chen，Mohammed Bawatna，Georg Cristiani，Gennady Logvenov，Yann Gallais，Alexander V.Boris，Bernhard Keimer，Andreas P.Schnyder，Dirk Manske，Michael Gensch，Zhe Wang，Ryo Shimano和Stefan Kaiser，2020年4月14日，自然通讯。DOI：
10.1038 / s41467-020-15613-1