За допомогою терагерцового лазера вченим вдалося впіймати моду Хіггса у багатозонному надпровіднику, яку досі не могли зафіксувати експериментально. Так фізики побачили зміну амплітуди порушення симетрії у високотемпературному надпровіднику під час фазового переходу — моду Хіггса. Також, змінюючи потужність лазера, їм вдалося змінити положення моди та її амплітуду, що вчені пов’язують із сильною міжзонною квантовою заплутаністю у надпровіднику. Результати дослідження були опубліковані у журналі Nature Communications.
Бозон Хіггса. CMS / ATLAS / CERN
Звідки з’являється надпровідність?
За теорією Ландау, набуття металами стану надпровідності, тобто здатності проводити струм без опору, пояснюється фазовим переходом другого роду — зміною симетрії речовини у зв’язку з, наприклад, зміщенням атомів. Для надпровідників фазовий перехід супроводжується зміною теплових властивостей: за досягнення певної критичної температури, змінюється теплоємність та хвильова функція пар електронів(куперівських пар). Ця характеристика фазового переходу для надпровідників називається параметром порядку. По суті це кількісна характеристика порушення симетрії у матеріалі, яка і є причиною набуття нових властивостей надпровідниками, діелектриками та рідкими кристалами. Для кожного матеріалу параметр порядку свій, і у разі зміни системою температури та об’єму, тобто під час виходу з рівноважного стану, з’являється якесь ненульове значення цього параметру, що зумовлює порушення симетрії.
Що таке мода Хіггса?
Уявіть собі мексиканське сомбреро, яким котиться кулька: вона може рухатися по колу, вздовж полів капелюха, а може догори-вниз, від країв до середини. У першому випадку змінюється її фаза, що називається модою Голдстоуна, порушення симетрії викликане виникненням безмасових часток з нульовим спіном (теорема Голдстоуна). У другому ж випадку кулька змінює свою амплітуду, що пояснюється модою Хіггса та бозоном Хіггса, який має масу. Цікаво, що для порушення симетрії та виникнення надпровідності, у системі мають бути присутніми обидва типи коливань. Однак, у зв’язку з тим, що мода Хіггса не взаємодіє з електромагнітними полями лінійно, вона ухилялася від експериментальних спостережень і лише з розвитком терагерцової спектроскопії її помітили за допомогою нелінійної взаємодії світла і бозонів Хіггса.
Ілюстрація експерименту, де спалах лазера контролює моди Хіггса(золоті кульки), які взаємодіють між собою. Jigang Wang
Де вчені піймали моду Хіггса?
Явище надпровідності, як низькотемпературної, так і у деяких випадках високотемпературної, пов’язують з утворенням куперівських пар — квазічастинок зі зв’язаних між собою електронів. Притягання електронів призводить до появи енергетичної щілини, яка робить неможливим розрив цих пар і відповідає за виникнення надпровідності. Всі високотемпературні надпровідники на основі заліза, тобто ті, що набувають своїх властивостей за температури вищої 100 кельвінів, мають багатозонну структуру — кілька таких енергетичних щілин. Між цими зонами існує сильна кулонівська взаємодія, завдяки чому надпровідник демонструє єдину температуру переходу. У своїй роботі фізики досліджували багатозонний високотемпературний надпровідник на основі арсеніду заліза (FeSC). За допомогою двоімпульсної терагерцової спектроскопії їм вдалося побачити амплітудні коливання параметра порядку, тобто моду Хіггса. Цікаво, що динаміка коливань вказує на те, що вони зберігаються набагато довше, ніж вплив терагерцового лазера.
Як вдалося на неї вплинути?
Дослідницька група використовувала терагерцову спектроскопію для управління парами електронів, що рухаються через надпровідник, а також тонкі кристалічні плівки надпровідника, щоб моду Хіггса можна було помітити. Змінюючи потужність лазерного випромінювання, вони побачили зміну амплітуди і положення моди. Так за низької щільності лазерного променя, амплітуда моди різко збільшувалася, а за збільшення насиченості поля, вона навпаки зменшувалася. Результати експериментів зійшлися з попереднім моделюванням, а такий зв’язок лазерного випромінювання з амплітудним порушенням симетрії вчені пов’язують з міжзонною квантовою заплутаністю та передбачають використання цієї технології для дослідження заплутаності та прихованих симетрій в інших складних системах.
Оновлено 25.01.2021: Ми повністю переписали цю новину, щоб зробити її простішою для сприйняття.