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.

Pesquisadores descobrem “dança-oscilante” em pares de elétrons (Researchers discover 'swing-dancing' pairs of electrons)

Linha inferior: representação de elétrons em um estado supercondutor. Os casais dançam de forma síncrona e sem perda de energia. Linha superior: elétrons dançando de forma totalmente independente no estado normal. Linha do meio: elétrons “dançam oscilando” como pares, mas não formam um estado supercondutor.

Pesquisadores liderados por Jeremy Levy descobriram que elétrons podem “dançar oscilando”. Este comportamento eletrônico pode levar potencialmente a novas famílias de dispositivos quânticos.

        Supercondutores constituem a base para dispositivos de imagem de ressonância magnética, bem como tecnologias emergentes, como computadores quânticos. No coração de todos os supercondutores está o agrupamento de elétrons em pares.

        Levy, Professor de Física e diretor do Pittsburgh Quantum Institute, descobriu uma fase onde os elétrons formam pares, mas não chegam a um estado supercondutor. A descoberta fornece novas pistas fundamentais em um mecanismo que um dia poderia ser usado para projetar um material que é supercondutor à temperatura ambiente. Tal avanço iria transformar radicalmente uma variedade de tecnologias, como trens de alta velocidade, transmissão de energia sem perdas e computadores que operam com requisitos de energia insignificantes.

        Uma maneira de entender esse novo estado é estender uma analogia articulada por J. Robert Schrieffer, que dividiu o Prêmio Nobel de Física em 1972 pela teoria (BCS) da supercondutividade. Em um supercondutor, o movimento de elétrons emparelhados é altamente coordenado, semelhante à valsa de casais na pista de dança. No estado normal ou não supercondutor, os elétrons se movem de forma independente, esbarrando uns nos outros de vez em quando e dissipando energia. O que a nova pesquisa identificou é um estado intermediário onde os elétrons formam pares, mas cada par se move de forma independente. Pode-se considerar que os pares de elétrons estão numa “dança oscilante”, onde os pares dançam de mãos dadas, mas não se movem em sincronia.

        David M. Eagles, em 1969, publicou a primeira teoria para descrever como os elétrons formam pares sem estabelecer um estado supercondutor. Guanglei Cheng, professor assistente no laboratório de Levy, descreve como a teoria foi comprovada: “A descoberta vem do avanço tecnológico para fabricar transistores supercondutores de um único elétron em uma interface de óxido - uma tecnologia que nos permite contar os elétrons e os pares, um por um. E isso é apenas o começo. Agora temos uma plataforma inovadora para estudar as fascinantes correlações elétron-elétron em dimensões nanométricas”.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40071.php

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/v521/n7551/full/nature14398.html

Explicado o segredo do supercondutor H2S (Secret of record-breaking superconductor explained)

A superfície de Fermi no sulfeto de hidrogênio sob 200 GPa de pressão. (Cortesia: Ion Errea, Matteo Calandra et al.)

A supercondutividade convencional pode ocorrer em temperaturas muito mais altas do que o esperado, de acordo com cálculos feitos por uma equipe internacional de físicos liderada por Matteo Calandra do Instituto IMPMC em Paris. Os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico para explicar o recorde da supercondutividade relatada no ano passado para o sulfeto de hidrogênio (H₂S), o qual a equipe atribui a interações relativamente simples semelhantes aquelas que ocorrem em supercondutores convencionais de baixa temperatura.

        Supercondutores de baixa temperatura são bem descritos pela teoria BCS, em que interações com fônons levam ao emparelhamento de elétrons em pares de Cooper que viajam através do material sem resistência. A maior temperatura crítica (T_C) para esta classe de supercondutores é apenas 39 K (para o MgB₂).

        Apesar da grande quantidade de pesquisa feita sobre supercondutores de alta temperatura, grande parte da física subjacente à sua supercondutividade permanece desconhecida. Esse mistério foi aprofundado no final do ano passado quando Mikhail Eremets e colaboradores descobriram que quando submetido a uma pressão extremamente alta (200 GPa), o H₂S tem uma T_C de 190 K (Veja aqui). Enquanto a T_C de supercondutores de alta temperatura pode ser aumentada pela aplicação de pressão, o H₂S parece destinado a tornar-se o novo recordista se a medida for confirmada.

        A coisa estranha sobre o H₂S é que - ao contrário de outros supercondutores de alta temperatura – ele não existe em um estado magnético, e, portanto, se assemelha mais a um supercondutor convencional. Essa observação levou Calandra e colegas a usar a teoria BCS como ponto de partida para os seus cálculos.

        As interações entre os elétrons e as vibrações dos átomos de hidrogênio são a chave para a compreensão da supercondutividade no H₂S. O hidrogênio tem uma massa muito pequena e vibra em frequências relativamente elevadas. Estes modos de alta frequência interagem fortemente com elétrons e deve resultar em um supercondutor com uma T_C muito alta. Quando Calandra e colegas utilizaram a teoria BCS para calcular a T_C do H₂S em alta pressão, eles obtiveram um valor de 250 K - muito maior do que o observado 190 K.

        A equipe acredita que a T_C real é um pouco menor, porque a teoria BCS assume que os átomos vibram no material como osciladores harmônicos simples. No entanto, átomos leves como hidrogênio sofrem oscilações anarmônicas mais complicadas, e isso pode enfraquecer significativamente as interações que criam os pares de Cooper. Depois de levar em conta os efeitos anarmônicos em seus cálculos, os pesquisadores calcularam uma T_C muito mais realista de 194 K.

Aumentando a pressão

        Os cálculos também sugerem que a interação entre os efeitos anarmônicos e outras propriedades do material resulta numa T_C constante entre 200-250 GPa. Observar esse efeito no laboratório seria um bom teste para os cálculos, Calandra diz não ter conhecimento de quaisquer medições acima de 200 GPa. Ele ressalta que a experiência de 200 GPa foi extremamente difícil de fazer, e que Eremets e colegas são provavelmente os únicos pesquisadores capazes de estudar o H₂S a pressões mais elevadas.

        “A descoberta de Eremets e nosso trabalho teórico fundamentam o caminho para a busca da supercondutividade de alta T_C em hidretos e materiais à base de hidrogênio em geral”, diz Calandra. “Nesta classe de materiais deve ser possível encontrar supercondutores com uma T_C da mesma ordem (ou superior) do que o H₂S a alta pressão”, acrescenta.

        Elisabeth Nicol da Universidade de Guelph no Canadá está entusiasmada com os resultados. “O surpreendente é que podemos ter um supercondutor de elétron-fônon que opera a 190 K”, diz ela. Nicol, que não estava envolvido nos cálculos, acrescenta que “Embora tecnicamente a teoria da supercondutividade em si não estabeleça um limite na T_C, o consenso foi que os supercondutores de elétron-fônon têm baixa T_C. Claramente, estamos aprendendo que ainda há possibilidades para a supercondutividade convencional”.

        O trabalho está publicado na Physical Review Letters.

Fonte1: http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/apr/24/secret-of-record-breaking-superconductor-explained

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.157004

Supercondutividade bate recorde sob alta pressão (superconductivity record breaks under pressure)

Os cupratos até agora detém o recorde de temperatura mais elevada, mas uma nova classe de materiais pode mudar isso. (Phil Degginger / Alamy)

Por quase 30 anos, a busca de um supercondutor à temperatura ambiente tem se concentrado em materiais exóticos conhecidos como cupratos, que podem transportar correntes sem perder energia em temperaturas de até 164 K, ou -109 °C. Mas os cientistas dizem ter superado esse recorde usando uma molécula simples, o sulfeto de hidrogênio (H₂S). Quando uma pequena amostra do material é submetida a pressões próximas às do núcleo da Terra, os pesquisadores dizem que o material superconduz a 190 K (-83 °C).

        “Se o resultado for reproduzido, será muito chocante”, diz Robert Cava, químico na Universidade de Princeton. “Seria uma descoberta histórica”.

        De acordo com a teoria BCS (John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer), vibrações nos átomos de um cristal podem levar elétrons a formar “pares de Cooper”, que podem fluir através do cristal sem resistência. A teoria BCS foi desenvolvida na década de 1950, mas a maioria dos físicos acredita que ela não pode explicar a supercondutividade em cupratos, que foi descoberto em 1986, ou em ferro-pnictídeos, descobertos em 2006.

        Os cientistas esperam que a teoria BCS possa guiar a busca por outros tipos de supercondutores de alta temperatura, particularmente em materiais que contenham elementos leves como o hidrogênio. Estes geram vibrações mais rápidas que criam laços mais fortes entre os pares de elétrons.

        A recente pesquisa baseia-se na obra de Neil Ashcroft (físico da Universidade de Cornell), que estudou o potencial supercondutor de compostos de hidrogênio. Mais especificamente, ele investigou uma recente previsão teórica de físicos chineses que o sulfeto de hidrogênio deve superconduzir acima de 80 K quando exposto a uma pressão de 1,6 milhões atm. Essa alta pressão comprime os elétrons dos pares de Cooper tornando menos provável de serem destruídos por flutuações térmicas.

        Mikhail Eremets e colegas do Instituto Max Planck colocaram uma amostra de sulfeto de hidrogênio, cerca de um centésimo de milímetro de diâmetro, entre as pontas de duas bigornas de diamante e eletrodos. Em seguida, mediram a forma como a resistência elétrica do material foi alterada à medida que o sistema resfriava até próximo do zero absoluto. Eles descobriram que, sob uma pressão de 1,8 milhões de atm, a resistência cai repentinamente em torno de 190 K, o que sugere uma transição supercondutora.

Os pesquisadores atribuem essa temperatura “crítica” maior do que o esperado à repartição de ácido sulfídrico em moléculas que contêm um número relativamente maior de átomos de hidrogênio. Estas moléculas seriam supercondutoras nesta temperatura.

        Os pesquisadores relatam várias evidências para apoiar a sua reivindicação de supercondutividade de alta temperatura, incluindo a de ter visto uma temperatura de transição muito mais baixa (90 K), quando usaram deutério (mais pesado) no lugar do hidrogênio. Os átomos mais pesados, segundo eles, impediria a supercondutividade, diminuindo as vibrações de cristal.

Caso seja confirmado por outros grupos, este resultado representaria um enorme aumento na temperatura crítica obtida por meio das interações entre os elétrons e as vibrações de cristal (supercondutor convencional tipo BCS). O recorde atual é de 39 K para o MgB₂.

        Alexander Gurevich, teórico da Universidade Old Dominion, concorda que os resultados representam “um avanço significativo na investigação da supercondutividade”, mas para o momento permanece cauteloso. Ele diz que os autores ainda têm de demonstrar uma das marcas da supercondutividade, o efeito Meissner, em que um material 'expulsa' linhas do campo magnético quando esfria até o estado supercondutor. “Espero que este trabalho estimule outros grupos para reproduzir o experimento prontamente”, acrescenta.

        Quanto à utilidade prática do trabalho, Eremets e seus colegas dizem que agora será possível encontrar temperaturas críticas elevadas em outros materiais contendo hidrogênio, como fulerenos à base de carbono ou hidrocarbonetos aromáticos. Estes, dizem, podem ser transformados em supercondutores, misturando pequenas frações de outros elementos, no lugar da aplicação de alta pressão. Cava, no entanto, adverte que ainda é muito cedo para considerar possíveis aplicações. “Se uma coisa dessas poderia ocorrer em pressão ambiente para outros hidretos é uma pergunta que é melhor não especular a respeito”, diz ele.

Fonte1: http://www.nature.com/news/superconductivity-record-breaks-under-pressure-1.16552

Fonte2: http://arxiv.org/abs/1412.0460