新的测量方法有助于理解高温超导的物理学原理

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从可持续能源到量子计算机，高温超导体有可能彻底改变今天的技术。然而，尽管进行了大量的研究，我们仍然缺乏必要的基本知识来开发可广泛应用的这些复杂材料。"希格斯光谱 "可能会带来一个分水岭，因为它揭示了超导体中成对电子的动力学。一个以德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（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在《Nature Communications》杂志上发表了新的测量方法。值得注意的是，动力学研究还揭示了典型的超导前体，即使在被研究材料达到超导的临界温度以上，也能发现超导的典型前体。

超导可以在不损失能量的情况下传输电流。如果不是因为超导需要-140摄氏度及以下的温度，利用它们可以大大降低我们的能源需求。材料只有在这个温度以下才会 "开启 "其超导性。所有已知的超导材料都需要复杂的冷却方法，这使得它们在日常使用中并不实用。高温超导体，例如铜酸盐，是一种基于氧化铜的创新材料，有望实现进步。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。希格斯光谱学可能会改变这一状况。

"希格斯光谱学为我们提供了一个全新的放大镜来研究物理过程，"Jan-Christoph Deinert博士说。科学家们最想知道的是，电子是如何在高温超导体中形成电子对的。

该研究的主要作者之一Stefan Kaiser教授解释说：“在超导材料中，电子结合在一起形成‘库珀对’，这使得电子可以在不与环境发生任何相互作用的情况下在材料中成对运动。但是，当两个电子的电荷实际上使它们相互排斥时，是什么让两个电子成对？对于传统的超导体，有一个物理上的解释。电子成对是因为晶格振动。一个电子会扭曲晶格，然后吸引第二个电子。然而，对于杯状晶体来说，到目前为止还不清楚是哪种机制在晶格振动中起作用。一种假设是，配对是由于波动的自旋，即磁力相互作用，但关键问题是：它们对超导性的影响，特别是对库珀对的特性的影响能否直接测量出来？"

这时，"希格斯振荡 "进入了舞台：在高能物理学中，它们解释了基本粒子为什么会有质量。但它们也发生在超导体中，在超导体中，它们可以被强激光脉冲激发。它们代表了材料的超导状态，换句话说，就是库珀对的密度。理论就到此为止。几年前，东京大学的研究人员用超短光脉冲激发传统超导体中的希格斯振荡，就像设置一个钟摆运动一样，首次实验证明了这一理论的成功。然而，对于高温超导体来说，这样的一次性脉冲是不够的，因为超导电子和非超导电子之间的相互作用以及复杂的对称性排序参数对系统的阻尼太大。

得益于希格斯光谱技术，围绕MPI-FKF和HZDR的研究联盟现在已经实现了高温超导体的实验突破。他们的诀窍是使用了一个多周期的、极强的太赫兹脉冲，该脉冲被优化调整为希格斯振荡，并能在阻尼因素的影响下保持振荡。利用HZDR的高性能太赫兹光源TELBE，研究人员能够以每秒10万个这样的脉冲通过样本发送10万个这样的脉冲。"我们的光源是世界上独一无二的，因为它在太赫兹范围内的高强度与非常高的重复率相结合，"Deinert解释道。"我们现在可以有选择地驱动希格斯振荡，并非常精确地测量它们。"

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。低于临界温度，研究小组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讨论。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，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。

论文标题为《Phase-resolved Higgs response in superconducting cuprates》。