超导体中的光控希格斯模式;电位传感器，计算用途

这张图显示了每秒数万亿脉冲（红色闪光）的光访问和控制铁基超导体中的希格斯模式（金球）。即使在不同的能量带，希格斯模态也会相互作用（白烟）。图片来源：插图由王继刚提供。

即使你不是物理专业的学生，你也可能听说过一些关于希格斯玻色子的事情。

诺贝尔奖获得者莱昂·莱德曼（Leon Lederman）在1993年出版的一本书中称希格斯粒子为“粒子”。2009年在欧洲大型强子对撞机内部一次碰撞后发射的希格斯粒子的搜索。2013年，彼得·希格斯（Peter Higgs）和弗朗索瓦·恩格勒特（Francois Englert）因在1964年独立理论化而获得诺贝尔物理学奖，认为基本粒子希格斯粒子是亚原子粒子的质量来源，使我们所知的宇宙成为可能。

（此外，爱荷华州立大学的物理学家在2012年的一篇研究论文的作者名单上，描述了对撞机的ATLAS实验如何观察到一种后来被证实是希格斯粒子的新粒子。

现在，爱荷华州立大学物理学和天文学教授、美国能源部艾姆斯实验室的科学家王继刚和一组研究人员在超导体中发现了一种粒子的形式，这种材料能够在非常寒冷的温度下无电阻导电。

Wang和他的合作者——包括Raymond R. Holton工程主席Chang-Beom Eom和威斯康星大学麦迪逊分校的Theodore H. Geballe教授;Ilias Perakis，阿拉巴马大学伯明翰分校物理学教授兼主席;佛罗里达州立大学机械工程教授兼临时主席埃里克·赫尔斯特罗姆（Eric Hellstrom）在《自然通讯》杂志近期在线发表的一篇论文中报告了细节。

他们写道，在实验室实验中，他们在铁基，高温（但仍然非常冷），多能带，非常规超导体中发现了短暂的“希格斯模式”。

量子发现

这种希格斯模式是在原子的量子尺度上发现的物质状态，它们的电子状态和高能激发。该模式可以通过在超导体上以每秒数万亿脉冲的频率闪烁的激光来访问和控制。希格斯模式可以在不同的能量带内创建，并且仍然相互作用。

王说，超导体中的这种希格斯模式有可能用于开发新的量子传感器。

“这就像大型强子对撞机可以使用希格斯粒子来探测暗能量或反物质，以帮助我们了解宇宙的起源，”王说。“我们在桌面上的希格斯模传感器有可能帮助我们发现物质量子态的隐藏秘密。

王说，这种理解可以推动高速计算和信息技术的新“量子革命”。

“这是这个异国情调，奇怪的量子世界可以应用于现实生活的一种方式，”王说。

超导体的光控制

该项目采用三管齐下的方法来访问和理解隐藏在超导体中的特殊性质，例如希格斯模式：

Wang的研究小组使用一种称为量子太赫兹光谱的工具来可视化和引导通过超导体的电子对。该工具使用激光闪光作为控制旋钮来加速超电流并进入新的和可能有用的物质量子态。

Eom的小组开发了合成技术，该技术可以生产铁基超导体的晶体薄膜，其质量足够高，以揭示希格斯模式。Hellstrom的小组为铁基超导薄膜的开发开发了沉积源。

Perakis的小组领导了量子模型和理论的发展，以解释实验结果并模拟来自希格斯模式的显着特征。

这项工作得到了美国国家科学基金会对王的资助以及美国能源部对Eom和Perakis的资助。

“跨学科科学是这里的关键，”Perakis说。“我们有量子物理学，材料科学与工程，凝聚态物理学，激光和光子学，灵感来自基础，高能和粒子物理学。

所有这些领域的研究人员都有充分、实际的理由在这个项目上共同努力。在这种情况下，来自四个研究小组的学生与他们的导师一起完成了这一发现。

“科学家和工程师，”王在一份研究摘要中写道，“近期开始意识到，某些材料，如超导体，具有可用于量子信息和能源科学应用的特性，例如处理、记录、存储和通信。