Das Higgs-Teilchen und die Supraleitung
Neue Form der Spektroskopie liefert Erkenntnisse für die Entwicklung von widerstandslosen Stromtransportern bei Raumtemperatur
Ohne den Higgs-Mechanismus hätten Teilchen keine Masse. Daher wird das 2012 entdeckte Higgs-Teilchen auch Gottesteilchen genannt. Es entsteht als schwingende Anregung des Higgs-Feldes, das die Welt durchdringt. Interessanterweise zeigt Supraleitung ähnliche Eigenschaften. Ihre quantenmechanische Welle, in der die zu sogenannten Cooper-Paaren verbundenen Elektronen gewissermaßen surfen, lässt sich mit einem starken Laser zu Higgs-Schwingungen anregen. Diese Schwingungen senden dann ein Signal aus, das eine komplette Information über diesen kollektiven Quantenzustand liefert. Es kann helfen, das noch ungelöste Rätsel der Hochtemperatur-Supraleitung besser zu verstehen. Entwickelt wurde die neue Higgs-Spektroskopie vom internationalen Max Planck-UBC-UTokyo Centre for Quantum Materials, an dem das Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart beteiligt ist.
So werden die Higgs-Schwingungen in einem Supraleiter angeregt. In der Mitte ist das hantelförmige Cooper-Paar (grau) zu erkennen. Durch den von links oben kommenden Terahertz-Laserpuls wird es einerseits in Rotation versetzt, und zwar um die gelbe Achse mit dem Drehimpuls L. Zum anderen beginnt es, in sich zu schwingen, was die zickzackförmige Feder in der Grafik andeutet. Das sind die eigentlichen Higgs-Schwingungen. Diese Überlagerung führt vor allem in Hochtemperatursupraleitern zu charakteristischen Symmetrien der Schwingung. Sie senden ein Signal mit der dreifachen Frequenz des Lasers aus. Dieses Signal enthält eine vollständige Information über den quantenmechanischen Zustand der Supraleitung.
© MPI for Solid State Research
Supraleitung bei Raumtemperatur, die technisch einsetzbar wäre – dieser Traum würde der Menschheit helfen, enorm viel Energie zu sparen. Mit der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung in den 1980er-Jahren schien dieser alte Traum realisierbar zu werden. Doch nachdem anfangs die Temperaturrekorde purzelten, blieb die Temperatur, bei der Supraleitung eintritt, sozusagen auf halbem Wege in unsere warme Lebenswelt stecken. Das lag auch daran, dass sich die Materialien, die bei hohen Temperaturen supraleitend werden, allen voran die damals entdeckten Kuprate, als harte Nuss für die Theoretische Physik erwiesen. Im Gegensatz zu den altbekannten konventionellen Tieftemperatur-Supraleitern können Physiker den äußerst komplexen Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung bis heute nicht erklären. Sie verstehen daher auch noch nicht, warum er relativ temperaturbeständig ist und wie er sich noch toleranter gegenüber Wärme machen lässt, damit die Materialien alltagstauglich werden.
Hier könnte nun eine völlig neue experimentelle Methode weiterhelfen, die die internationale Kooperation Max Planck-UBC-UTokyo Centre for Quantum Materials zum ersten Mal erfolgreich an Hochtemperatur-Supraleitern eingesetzt hat. Diese Kooperation mit der University of British Columbia (UBC) und der Universität von Tokyo hat die Abteilung von Bernhard Keimer am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart federführend mitbegründet. Damals, vor zehn Jahren, hatte sich längst gezeigt, dass die Erforschung der Hochtemperatur-Supraleitung ein wissenschaftlicher Marathonlauf ist. Eine der Aufgaben dieser Kooperation ist es, dieses Rätsel zu lösen.
Den supraleitenden Grundzustand transparent machen
Die Supraleitung ist ein Forschungsgebiet der Festkörperphysik. Und diese Disziplin hat mit dem grundsätzlichen Problem kämpfen, dass sie die Eigenschaften der zu erforschenden Materialien fast nur mit indirekten Methoden untersuchen kann. Diese methodische Schallmauer durchbricht nun die neue Higgs-Spektroskopie. „Sie kann nämlich den supraleitenden Grundzustand – das Quantenobjekt der wissenschaftlichen Begierde – in kompletter Form transparent machen“, sagt Stefan Kaiser. Der Physikprofessor leitet die gemeinsame Forschungsgruppe Ultraschnelle Festkörperspektroskopie des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung und der Universität Stuttgart. Das Experiment, bei dem sich die Methode an Hochtemperatur-Supraleitern bewährte, fand am Forschungszentrum Rossendorf statt. Dort steht ein starker Laser, der im benötigten Terahertz-Bereich strahlt. Der breiten Öffentlichkeit bekannt ist diese unterhalb des Infrarotspektrums angesiedelte elektromagnetische Strahlung von den Körperscannern an Flughäfen.
Die Theorie, die zur Entwicklung der neuen Higgs-Spektroskopie geführt hat, hat ein von Dirk Manske geleitetes Team in zehnjähriger Arbeit entwickelt. Vor allem erstaunt, dass die Teilchenphysik wesentliche Ideen geliefert hat. „Der Blick in die Teilchenphysik ist gerade Mode in der theoretischen Festkörperphysik“, sagt der Physikprofessor, der ebenfalls am Institut in Stuttgart forscht. Das hat in diesem Fall bestens funktioniert.
Festkörper- und Teilchenphysik befruchten einander
Tatsächlich hat die Festkörperphysik bereits in den frühen 1960er-Jahren umgekehrt die theoretische Teilchenphysik befruchtet, und zwar in Gestalt des kürzlich verstorbenen Physik-Nobelpreisträgers Philip Anderson. Anderson war ein überragend kreativer Pionier der Festkörperphysik, der sich auch für Teilchenphysik interessierte. 1962 veröffentlichte er eine Arbeit, in der er zeigte, wie Photonen, also Lichtquanten, Masse erhalten. Damit inspirierte er Peter Higgs zu seiner 1964 publizierten Theorie des Higgs-Feldes, für die er zusammen mit François Englert 2013 den Nobelpreis für Physik erhielt.
„In der Festkörperphysik spricht man daher auch vom Anderson-Higgs-Mechanismus “, so Kaiser. Die Higgs-Spektroskopie hat diese Ideen nun in die Festkörperphysik zurückgeholt. Wie das Higgs-Teilchen gehören auch die Cooper-Paare, die jeweils aus zwei Elektronen entstehen und die Supraleitung tragen, zur quantenmechanischen Familie der sogenannten Bosonen. Bosonen versammeln sich gerne in einem gemeinsamen Quantenzustand. Zusammen bilden die Cooper-Paare eine große quantenmechanische Welle, ein kollektives Quantenobjekt, die sich als elektrischer Strom ohne Reibung durch den Supraleiter bewegen kann.
Die Cooper-Paare kann man sich wie Hanteln vorstellen: Die Elektronen entsprechen den Gewichten, und die Verbindung zwischen ihnen ist der Griff. „Allerdings funktioniert er wie eine Feder“, betont Manske. Damit können also die Elektronen im Cooper-Paar gegeneinander oder miteinander schwingen. „Das sind die Higgs-Schwingungen“, erklärt der Theoretiker, „und es war lange nicht klar, ob die bei Cooper-Paaren überhaupt anregbar sind.“ Genau das tut aber die Higgs-Spektroskopie: Mit einem starken Terahertz-Laserstrahl in passender Frequenz zwingt sie die Cooper-Paar-Hanteln zum Schwingen und lässt sie überdies rotieren. Dabei verhält sich das Kollektiv der Cooper-Paare wie ein Saiteninstrument, das mit seinem Resonanzkörper auch Obertöne hervorbringt. „Die supraleitenden Paare schwingen dann mit der zweifachen Frequenz des Laserlichts und zeigen dabei charakteristische Symmetrien auf“, erklärt Kaiser: „Dabei senden sie ein Signal in der dreifachen Frequenz aus.“
Lockere Verlobung der Cooper-Paare
Der Clou: Dieses Signal enthält nun eine komplette Information über das Quantenobjekt des supraleitenden Grundzustands. Das ist das Neue an der Higgs-Spektroskopie, sie macht Supraleitung auf einen Schlag transparent für den Blick von außen. Und damit wächst auch die Hoffnung der Forscher, den sehr temperaturbeständigen Paarungsmechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung endlich besser verstehen zu können.
Tatsächlich zeigen die ersten Ergebnisse an verschiedenen Kuprat-Supraleitern: Schon oberhalb der Temperatur, bei der Supraleitung eintritt, schließen sich einige Elektronen zu einer Art halbfertiger Cooper-Paare zusammen. Ein genaueres Verständnis dieser lockeren Verlobung der Elektronen noch vor der echten Cooper-Paar-Trauung könnte vielleicht einen Weg zur Supraleitung bei Raumtemperatur eröffnen. Auf jeden Fall hat die Supraleitungsforschung mit der Higgs-Spektroskopie nun ein mächtiges Werkzeug in der Hand, das Klischee vom „Quantensprung“ trifft hier zu.
Originalveröffentlichung
L. Schwarz, B. Fauseweh, N. Tsuji, N. Cheng, N. Bittner, H. Krull, M. Berciu, G. S. Uhrig, A. P. Schnyder, S. Kaiser und D. Manske; "Classification and characterization of nonequilibrium Higgs modes in unconventional superconductors"; Nature Communications; 11 January 2020.
H. Chu et al.; "Phase-resolved Higgs response in superconducting cuprates"; Nature Communications; 14 April 2020.
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