這張圖顯示了每秒數(shù)萬億脈沖（紅色閃光）的光訪問和控制鐵基超導體中的希格斯模式（金球）。即使在不同的能量帶，希格斯模態(tài)也會相互作用（白煙）。圖片來源：插圖由王繼剛提供。

即使你不是物理專業(yè)的學生，你也可能聽說過一些關于希格斯玻色子的事情。

諾貝爾獎獲得者萊昂·萊德曼（Leon Lederman）在1993年出版的一本書中稱希格斯粒子為“粒子”。2009年在歐洲大型強子對撞機內(nèi)部一次碰撞后發(fā)射的希格斯粒子的搜索。2013年，彼得·希格斯（Peter Higgs）和弗朗索瓦·恩格勒特（Francois Englert）因在1964年獨立理論化而獲得諾貝爾物理學獎，認為基本粒子希格斯粒子是亞原子粒子的質(zhì)量來源，使我們所知的宇宙成為可能。

（此外，愛荷華州立大學的物理學家在2012年的一篇研究論文的作者名單上，描述了對撞機的ATLAS實驗如何觀察到一種后來被證實是希格斯粒子的新粒子。

現(xiàn)在，愛荷華州立大學物理學和天文學教授、美國能源部艾姆斯實驗室的科學家王繼剛和一組研究人員在超導體中發(fā)現(xiàn)了一種粒子的形式，這種材料能夠在非常寒冷的溫度下無電阻導電。

Wang和他的合作者——包括Raymond R. Holton工程主席Chang-Beom Eom和威斯康星大學麥迪遜分校的Theodore H. Geballe教授;Ilias Perakis，阿拉巴馬大學伯明翰分校物理學教授兼主席;佛羅里達州立大學機械工程教授兼臨時主席埃里克·赫爾斯特羅姆（Eric Hellstrom）在《自然通訊》雜志近期在線發(fā)表的一篇論文中報告了細節(jié)。

他們寫道，在實驗室實驗中，他們在鐵基，高溫（但仍然非常冷），多能帶，非常規(guī)超導體中發(fā)現(xiàn)了短暫的“希格斯模式”。

量子發(fā)現(xiàn)

這種希格斯模式是在原子的量子尺度上發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)狀態(tài)，它們的電子狀態(tài)和高能激發(fā)。該模式可以通過在超導體上以每秒數(shù)萬億脈沖的頻率閃爍的激光來訪問和控制。希格斯模式可以在不同的能量帶內(nèi)創(chuàng)建，并且仍然相互作用。

王說，超導體中的這種希格斯模式有可能用于開發(fā)新的量子傳感器。

“這就像大型強子對撞機可以使用希格斯粒子來探測暗能量或反物質(zhì)，以幫助我們了解宇宙的起源，”王說�！拔覀冊谧烂嫔系南８袼鼓�傳感器有可能幫助我們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)量子態(tài)的隱藏秘密。

王說，這種理解可以推動高速計算和信息技術的新“量子革命”。

“這是這個異國情調(diào)，奇怪的量子世界可以應用于現(xiàn)實生活的一種方式，”王說。

超導體的光控制

該項目采用三管齊下的方法來訪問和理解隱藏在超導體中的特殊性質(zhì)，例如希格斯模式：

Wang的研究小組使用一種稱為量子太赫茲光譜的工具來可視化和引導通過超導體的電子對。該工具使用激光閃光作為控制旋鈕來加速超電流并進入新的和可能有用的物質(zhì)量子態(tài)。

Eom的小組開發(fā)了合成技術，該技術可以生產(chǎn)鐵基超導體的晶體薄膜，其質(zhì)量足夠高，以揭示希格斯模式。Hellstrom的小組為鐵基超導薄膜的開發(fā)開發(fā)了沉積源。

Perakis的小組領導了量子模型和理論的發(fā)展，以解釋實驗結果并模擬來自希格斯模式的顯著特征。

這項工作得到了美國國家科學基金會對王的資助以及美國能源部對Eom和Perakis的資助。

“跨學科科學是這里的關鍵，”Perakis說�！拔覀冇辛孔游锢韺W，材料科學與工程，凝聚態(tài)物理學，激光和光子學，靈感來自基礎，高能和粒子物理學。

所有這些領域的研究人員都有充分、實際的理由在這個項目上共同努力。在這種情況下，來自四個研究小組的學生與他們的導師一起完成了這一發(fā)現(xiàn)。

“科學家和工程師，”王在一份研究摘要中寫道，“近期開始意識到，某些材料，如超導體，具有可用于量子信息和能源科學應用的特性，例如處理、記錄、存儲和通信。