Análogo do bóson de Higgs em supercondutores revelado por espectroscopia de terahertz (Higgs boson analog in superconductors revealed by terahertz spectroscopy)

O uso da espectroscopia de terahertz em supercondutores convencionais permitiu a observação do modo Higgs, revelando o seu acoplamento ressonante não linear com o campo de luz

A descoberta da partícula de Higgs no CERN em 2012 representou um empolgante progresso no campo da física de partículas, fornecendo forte evidência da quebra espontânea de simetria (SSB) e da existência de um campo de Higgs. O conceito da SSB em física de partículas, desenvolvido por Yoichiro Nambu, foi parcialmente desencadeado pela teoria BCS da supercondutividade. Esta teoria é baseada em um efeito que surge quando uma interação une pares de elétrons em estados bosônicos chamados pares de Cooper. A existência de um análogo da matéria condensada do bóson de Higgs (um modo de amplitude coletiva que surge a partir de oscilações do parâmetro de ordem supercondutor: Figura 1) foi proposto por Philip W. Anderson quase meio século atrás [1], antes da previsão do bóson de Higgs em física de partículas [2]. Este modo de amplitude coletiva, que só recentemente foi referido como o modo de Higgs, tem atraído muita atenção [3] a partir de um ponto de vista fundamental (por exemplo, para o estudo de transições de fase quânticas, dinâmicas de não equilíbrio e novos fenômenos não lineares). Usar campos externos para controlar artificialmente o parâmetro de ordem de materiais supercondutores representa outra perspectiva altamente intrigante. Esclarecer o comportamento coerente da interação luz-matéria em supercondutores deve abrir um novo caminho para o estudo de supercondutores não convencionais, para o foto-controle da supercondutividade e, potencialmente, para a supercondutividade foto-induzida.

Figura 1. Diagrama esquemático do modo de Higgs (seta vermelha) sobre o potencial de energia livre no plano do parâmetro de ordem complexo (Ψ). Re: Real. Im: Imaginário.

O modo de Higgs em supercondutores tem por muito tempo escapado de detecção experimental. A dificuldade fundamental reside no fato de que o modo de Higgs em si não acopla diretamente com ondas electromagnéticas (luz) em regime de resposta linear, devido à ausência de polarização elétrica ou magnética. Até agora, o modo de Higgs só foi observado no supercondutor seleneto de nióbio (NbSe₂), por meio do espalhamento Raman. Esta observação é possível porque a onda de densidade de carga (do inglês, charge-density wave - CDW) no NbSe₂ torna o modo de Higgs ativo no Raman [3,4]. Durante décadas, não ficou claro se o modo de Higgs pode ser observado em supercondutores convencionais sem CDW.

        Nós observamos o modo de Higgs no supercondutor convencional nitreto de nióbio e titânio (Nb_1-xTi_xN) usando espectroscopia de terahertz (THz) [5,6]. Embora o modo de Higgs não acople diretamente com o campo da radiação, ele pode ser excitado pela luz THz. Nós irradiamos o Nb_1-xTi_xN com um intenso pulso monociclo THz, gerado pela retificação óptica em um cristal de niobato de lítio (LiNbO₃) [7]. Pares de Cooper são instantaneamente quebrado pelo intenso pulso THz. Tal perturbação súbita (não-adiabática) do estado fundamental supercondutor induz uma flutuação da amplitude do parâmetro de ordem [8,9].

O aparecimento de uma densidade superfluida, que dá origem ao parâmetro de ordem supercondutor (Δ), surge no espectro da condutividade óptica a uma energia de fóton próxima do gap supercondutor 2Δ (isto é, no intervalo de frequências THz). Fomos capazes de sondar a evolução temporal do parâmetro ordem usando pulsos THz com resolução temporal de sub-picosegundos. A Figura 2 mostra o sinal medido como uma função do delay da sonda, indicando claramente que o parâmetro de ordem oscila após a excitação do pulso THz [5]. A frequência da oscilação coincide com 2Δ (o dobro da magnitude do parâmetro de ordem supercondutor após a excitação), refletindo fortemente a assinatura do modo de Higgs com frequência 2Δ [8].

Figura 2. Evolução temporal do sinal mostra o comportamento oscilatório do parâmetro de ordem. A frequência da oscilação diminui à medida que a intensidade do impulso aumenta, refletindo a redução do parâmetro de ordem após o bombeamento. δE_probe: Mudança do campo elétrico da sonda (isto é, o sinal refletindo a mudança do parâmetro de ordem). Arb.: arbitrária.

Em contraste com o esquema de excitação não-adiabática do modo Higgs, o modo de oscilação Higgs também pode ser induzido através do acoplamento coerente não linear entre o modo de Higgs e os pulsos multiciclos THz de banda estreita com uma frequência sintonizada abaixo do gap de energia (ω < 2Δ). Embora este pulso THz de sub-gap não seja capaz de quebrar os pares de Cooper, descobrimos que o parâmetro de ordem oscila coerentemente com frequência 2ω (duas vezes a frequência de bombeamento) durante a irradiação do pulso THz. Nós também descobrimos que esta oscilação forçada do parâmetro de ordem conduz a uma forte geração de harmônico de terceira ordem (THG), como mostra a Figura 3. O resultado mais surpreendente é que esta oscilação forçada do parâmetro de ordem e o THG são fortemente ampliados quando 2ω coincide com 2Δ (isto é, quando o dobro da frequência do pulso é igual à frequência do modo de Higgs) [6]. Este resultado revela ressonância entre o modo de Higgs e ondas electromagnéticas no regime de resposta não-linear. Este acoplamento não linear entre o forte campo de luz e o modo de Higgs é descrito pela precessão coletiva de pseudospins de Anderson [10].

Figura 3. Abaixo: espectro de transmissão THz. Acima: temperatura crítica supercondutora (15 K). A frequência central do pulso THz incidente é ω = 0,6 THz. Geração de Terceiro Harmônico (THG) é observado em 3ω = 1,8 THz, abaixo da temperatura crítica.

Em resumo, temos confirmado a existência de um modo de Higgs em supercondutores quase meio século depois de sua previsão inicial. Bem como incitando um estudo mais aprofundado do modo de Higgs em supercondutores não convencionais, nossos resultados revelam um novo tipo de interação luz-matéria não-linear associado a fenômenos de cooperação em sistemas quânticos correlacionados. Este novo fenômeno óptico mostra a promessa para aplicação em fotônica THz não-linear e fornece uma nova abordagem para o estudo da supercondutividade por meios ópticos. Em trabalhos futuros, pretendemos usar este esquema para estudar o comportamento dos supercondutores não convencionais.

Fonte: http://spie.org/x113052.xml

Ryusuke Matsunaga, Ryo Shimano

Departamento de Física

Universidade de Tóquio

Tóquio, Japão

Referências

1. P. W. Anderson, Coherent excited states in the theory of superconductivity: gauge invariance and the Meissner effect, Phys. Rev. 110, p. 827, 1958.

2. P. W. Higgs, Broken symmetries, massless particles and gauge fields, Phys. Lett. 12(2), p. 132-133, 1964.

3. D. Pekker, C. M. Varma, Amplitude/Higgs modes in condensed matter physics, Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 6, 2015.

4. M.-A. Méasson, Y. Gallais, M. Cazayous, B. Clair, P. Rodière, L. Cairo, A. Sacuto, Amplitude Higgs mode in the 2H-NbSe2 superconductor, Phys. Rev. B 89, p. 060503(R), 2014.

5. R. Matsunaga, Y. I. Hamada, K. Makise, Y. Uzawa, H. Terai, Z. Wang, R. Shimano, Higgs amplitude mode in the BCS superconductors Nb1 - xTixN induced by terahertz pulse excitation, Phys. Rev. Lett. 111, p. 057002, 2013.

6. R. Matsunaga, N. Tsuji, H. Fujita, A. Sugioka, K. Makise, Y. Uzawa, H. Terai, Z. Wang, H. Aoki, R. Shimano, Light-induced collective pseudospin precession resonating with Higgs mode in a superconductor, Science 345(6201), p. 1145-1149, 2014.

7. J. Fülöp, L. Pálfalvi, G. Almási, J. Hebling, High energy THz pulse generation by tilted pulse front excitation and its nonlinear optical applications, J. Infrared Millim. Terahertz Waves 32(5), p. 553-561, 2011.

8. A. F. Volkov, Sh. M. Kogan, Collisionless relaxation of the energy gap in superconductors, Sov. Phys. JETP 38(5), p. 1018-1021, 1974.

9. R. A. Barankov, L. S. Levitov, B. Z. Spivak, Collective Rabi oscillations and solitons in a time-dependent BCS pairing problem, Phys. Rev. Lett. 93, p. 160401, 2004.

10. N. Tsuji, H. Aoki, Theory of Anderson pseudospin resonance with Higgs mode in superconductors, arXiv:1404.2711, 2014.