Modes de Higgs contrôlés par la lumière trouvés dans les supraconducteurs; capteur de potentiel, utilisations informatiques –

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  • Même si vous n’étiez pas un majeur en physique, vous avez probablement entendu quelque chose sur le boson de Higgs.

    Il y avait le titre d’un livre de 1993 par le lauréat du prix Nobel Leon Lederman qui a surnommé les Higgs «The God Particle». Il y a eu la recherche de la particule de Higgs qui a été lancée après les premières collisions de 2009 à l’intérieur du grand collisionneur de hadrons en Europe. Il y a eu l’annonce en 2013 que Peter Higgs et François Englert ont remporté le prix Nobel de physique pour avoir théorisé indépendamment en 1964 qu’une particule fondamentale – le Higgs – est la source de masse dans les particules subatomiques, rendant l’univers tel que nous le connaissons possible.

    (De plus, il y a les physiciens de l’Iowa State University sur la liste des auteurs d’un article de recherche de 2012 décrivant comment l’expérience ATLAS au collisionneur a observé une nouvelle particule confirmée plus tard comme étant le Higgs.)

    Et maintenant, Jigang Wang, professeur de physique et d’astronomie à l’État de l’Iowa et chercheur principal au laboratoire Ames du département américain de l’énergie, et une équipe de chercheurs ont découvert une forme de la célèbre particule dans un supraconducteur, un matériau capable de conduire l’électricité. sans résistance, généralement à des températures très froides.

    Wang et ses collaborateurs – dont Chang-Beom Eom, la Chaire Raymond R. Holton pour l’ingénierie et Theodore H. Geballe Professeur à l’Université du Wisconsin-Madison; Ilias Perakis, professeur et directeur de physique à l’Université de l’Alabama à Birmingham; et Eric Hellstrom, professeur et président par intérim de génie mécanique à la Florida State University – rapportent les détails dans un article récemment publié en ligne par la revue Communications de la nature.

    Ils écrivent que dans des expériences de laboratoire, ils ont trouvé un «mode Higgs» de courte durée dans des supraconducteurs non conventionnels à base de fer, à haute température (mais toujours très froid), à bande multi-énergie.

    Une découverte quantique

    Ce mode de Higgs est un état de la matière que l’on retrouve à l’échelle quantique des atomes, leurs états électroniques et leurs excitations énergétiques. Le mode est accessible et contrôlé par une lumière laser clignotant sur le supraconducteur à des fréquences térahertz de trillions d’impulsions par seconde. Les modes Higgs peuvent être créés dans différentes bandes d’énergie et interagir toujours les uns avec les autres.

    Wang a déclaré que ce mode Higgs dans un supraconducteur pourrait potentiellement être utilisé pour développer de nouveaux capteurs quantiques.

    “C’est comme si le grand collisionneur de hadrons pouvait utiliser la particule de Higgs pour détecter l’énergie noire ou l’antimatière pour nous aider à comprendre l’origine de l’univers”, a déclaré Wang. “Et nos capteurs en mode Higgs sur la table ont le potentiel de nous aider à découvrir les secrets cachés des états quantiques de la matière.”

    Cette compréhension, a déclaré Wang, pourrait faire progresser une nouvelle «révolution quantique» pour le calcul à grande vitesse et les technologies de l’information.

    “C’est une façon d’appliquer ce monde quantique exotique et étrange à la vraie vie”, a déclaré Wang.

    Contrôle de la lumière des supraconducteurs

    Le projet adopte une approche à trois volets pour accéder et comprendre les propriétés spéciales, telles que ce mode Higgs, cachées dans les supraconducteurs:

    Le groupe de recherche de Wang utilise un outil appelé spectroscopie quantique térahertz pour visualiser et diriger des paires d’électrons se déplaçant à travers un supraconducteur. L’outil utilise des flashs laser comme bouton de commande pour accélérer les supercourants et accéder à de nouveaux états quantiques potentiellement utiles de la matière.

    Le groupe d’Eom a développé la technique de synthèse qui produit des couches minces cristallines du supraconducteur à base de fer avec une qualité suffisamment élevée pour révéler le mode Higgs. Le groupe Hellstrom a développé des sources de dépôt pour le développement de couches minces supraconductrices à base de fer.

    Le groupe de Perakis a dirigé le développement de modèles et de théories quantiques pour expliquer les résultats des expériences et simuler les principales caractéristiques qui proviennent du mode de Higgs.

    Le travail a été soutenu par une subvention à Wang de la National Science Foundation et des subventions à Eom et Perakis du département américain de l’énergie.

    “La science interdisciplinaire est la clé ici”, a déclaré Perakis. “Nous avons la physique quantique, la science et l’ingénierie des matériaux, la physique de la matière condensée, les lasers et la photonique avec des inspirations de la physique fondamentale, des hautes énergies et des particules.”

    Il existe de bonnes raisons pratiques pour que les chercheurs de tous ces domaines travaillent ensemble sur le projet. Dans ce cas, les étudiants des quatre groupes de recherche ont travaillé avec leurs conseillers pour réaliser cette découverte.

    “Les scientifiques et les ingénieurs”, a écrit Wang dans un résumé de recherche, “ont récemment réalisé que certains matériaux, tels que les supraconducteurs, ont des propriétés qui peuvent être exploitées pour des applications dans l’information quantique et la science de l’énergie, par exemple, le traitement, l’enregistrement, le stockage et la communication.”

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