Observan el análogo a un bosón de Higgs en un superconductor

Por Francisco R. Villatoro, el 5 septiembre, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science

Dibujo20140904 Higgs amplitude mode - state with spontaneously broken symmetry - science mag

La teoría del campo de Higgs, que explica la masa de las partículas gracias a una rotura espontánea de una simetría, está basada en la teoría BCS (Bardeen–Cooper–Schrieffer) de la superconductividad; en concreto en la explicación de Philip Anderson (1958) del efecto Meissner como resultado de una masa “efectiva” para el fotón (Premio Nobel de Física de 1977). Se publica en Science la primera prueba experimental directa de la existencia de este fenómeno (modos de Higgs) en superconductores.

Un resultado esperado que confirma las predicciones teóricas realizadas en 1958. ¿Por qué ha costado tantos años? Porque era necesario usar fuentes intesas de luz en el régimen de los terahercios. El artículo técnico es Ryusuke Matsunaga et al., “Light-induced collective pseudospin precession resonating with Higgs mode in a superconductor,” Science 345: 1145-1149, 5 Sep 2014. Más información divulgativa en Alexej Pashkin, Alfred Leitenstorfer, “Particle physics in a superconductor,” Science 345: 1121-1122, 5 Sep 2014.

Dibujo20140904 Higgs amplitude mode - terahertz spectroscopy - experimental setup - science mag

La rotura espontánea de la simetría en los superconductores suele resultar en modos de Nambu-Goldstone. Cuando estos modos se acoplan a los fotones de un campo electromagnético intenso adquieren un “salto de masa” y se transforman en modos de Higgs mediante el mecanismo de Anderson-Higgs. Este proceso había sido observado en los experimentos de forma indirecta, pues su observación directa requiere espectroscopia en el régimen de los terahercios.

Ryusuke Matsunaga (Univ. Tokio en Hongo, Tokio, Japón) y sus colegas han usado pulsos de picosegundos con frecuencias entre 0,3 y 0,8 THz (energías de 1,2 meV a 3,3 meV). Esta figura ilustra el espectroscopio utilizado, que usa dos pulsos de THz (uno de bombeo y otro de prueba) que se dirigen hacia la lámina delgada de NbN, que se ha crecido en un sustrato de MgO. Se han utilizado tres frecuencias para el pulso de bombeo (en rojo en la figura), 0,3, 0,6 y 0,8 THz, que se producen a partir de la misma fuente gracias a un filtro paso banda de malla metálica (BPF por Band-Pass Filter). La fuente es un pulso monociclo que se transforma en un pulso multiciclo (en rojo en la figura) gracias a un polarizador de hilos metálicos (WGP por Wire-Grid Polarizer); una red de finos cables metálicos paralelos entre sí que reflejan los pulsos de prueba (polarizados en la dirección horizontal de los hilos) y polariza los pulsos de bombeo (en la dirección perpendicular a los hilos).

Un metal es superconductor cuando su estado cuántico macroscópico se describe por una función compleja Φ(k) = |Φ(k)|exp(iϕ) que tras una rotura espontánea de la simetría adquiere un valor de vacío no nulo |Φ(k)|, independiente de la fase ϕ. El modo de Higgs está asociado a los desplazamientos radiales del estado del sistema respecto al valor |Φ(k)| y tiene una frecuencia 2ω (o una energía de 2ℏω, que equivale a la masa del bosón de Higgs). El modo de Higgs puede resonar con una frecuencia de ω si se aplica un haz de luz intensa sobre el superconductor. En el nuevo trabajo se ha usado una lámina delgada de 24 nm de grosor de mononitruro de niobio (NbN), cuya temperatura crítica Tc = 15 K, que equivale a 1,3 THz y se ha observado el modo de Higgs como una resonancia ω ≈ 0,6 THz (también se han observado sus armónicos superiores, pares e impares, como predice la teoría del mecanismo de Anderson–Higgs).

Dibujo20140904 Anderson pseudospin model and Bloch equation - science mag

En la teoría BCS la fase superconductora se describe por un conjunto de pares de Cooper, pares de electrones con números de onda k (estado |00>) y –k (estado |11>) que forman un estado singlete. En la teoría de Anderson se interpretan los pares |oo> y |11> como los dos estados (abajo y arriba) del pseudoespín de una cuasipartícula. El estado normal del sistema (T=0) se describe con todos los pseudoespines hacia abajo para |k| < kF y todos hacia arriba para |k| > kF (donde kF es el número de onda de Fermi). En el estado superconductor (BCS) se observa una transición suave (rotación en la esfera de Bloch) alrededor de k=kF de los pseudoespines hacia abajo hasta transformarse en los pseudoespines hacia arriba (ver la figura de arriba).

Un haz de luz monocromático que incida sobre el superconductor se comporta como un campo pseudomagnético para los pseudoespines, que se ven obligados a evolucionar (precesión) según la ecuación de Bloch a una frecuencia de 2ω (no entraré en detalles matemáticas, por lo demás bastante sencillos). El resultado es un acoplo entre la luz (ω) y el condensado de pares de Cooper que produce una resonancia (divergencia en la amplitud de la precesión). Esta resonancia se interpreta en el formalismo de Anderson como una señal de la excitación del modo de Higgs (con “masa” efectiva 2ω). Además de armónicos pares a frecuencias 2ω, 4ω, 6ω, … la teoría predice la aparición de armónicos impares cuyo origen es la función no lineal del mecanismo de Anderson. Matsunaga y sus colegas han observado la generación del tercer armónico (3ω) en los experimentos a una temperatura de T = 13 K como un pico a una frecuencia de 1,8 THz, lo que se considera una confirmación clave de la teoría.

En resumen, se ha observado un curioso fenómeno predicho en 1958, los modos de Higgs en un superconductor (convencional). Su aplicación más inmediata es el estudio de los superconductores de alta temperatura crítica (cupratos y pnicturos); sus fases superconductoras son más complicadas y no se describen correctamente con la teoría BCS convencional. Quizás observarlos desde un nuevo punto de vista gracias a los modos de Higgs permite desvelar algunas propiedades nuevas que nos guíen hacia una teoría que explique su comportamiento exótico.



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