Eisgekühltes Higgs-Teilchen

  • 30. January 2015

Higgs-Mode in Supraleitern erstmals experimentell nachgewiesen.

Physikern der Universität Stuttgart ist in einer internationalen Zusammenarbeit der erste direkte experimentelle Nachweis der Higgs-Mode in Supraleitern gelungen. Die Higgs-Mode beschreibt einen Anregungszustand in direkter Analogie zu den Higgs-Teilchen, die kürzlich am Large Hadron Collider des europäischen Kernforschungszentrums CERN gefunden wurden. Während der Teilchenbeschleuniger am CERN knapp 27 Kilometer lang ist, genügte den Stuttgarter Wissenschaftlern ein experimenteller Aufbau in der Größe eines Küchentischs.

Abb.: Hilfsmittel bei der mathematischen Behandlung des Higgs-Teilchens und der Supraleitung sind das Higgs-Potential und das freie-Energie Potential. Durch Energie wird eine Schwingung angeregt, die die Higgs-Mode hervorbringt. (Bild: U. Pracht)

Abb.: Hilfsmittel bei der mathematischen Behandlung des Higgs-Teilchens und der Supraleitung sind das Higgs-Potential und das freie-Energie Potential. Durch Energie wird eine Schwingung angeregt, die die Higgs-Mode hervorbringt. (Bild: U. Pracht)

Die Verleihung des Nobelpreises für Physik an die Wissenschaftler François Englert und Peter Higgs im Jahr 2013 ehrte einen spektakulären Durchbruch: Mit dem LHC gelang der experimentelle Nachweis des Higgs-Teilchens, das bereits Anfang der 1960er-Jahre theoretisch vorhergesagt worden war. Damals fragte man sich, warum bestimmte Teilchen eine so große Masse haben, obwohl sie nach damaligem Wissen eigentlich masselos sein müssten. Die Lösung ist in einer heute als Higgs-Mechanismus bekannten Theorie zusammengefasst, die quasi als Nebenprodukt die Existenz des damals unbekannten Higgs-Teilchens vorhersagte.

Der Kerngedanke zur Lösung des Massen-Rätsels wurde damals schon mit einigem Erfolg zur Beschreibung des verlustfreien Stromflusses, der Supraleitung, angewandt. Heute weiß man, dass diese scheinbar verschiedenen Gebiete – Supraleitung und Teilchenphysik – tatsächlich zwei Seiten derselben Medaille sind. Demnach sollte es dieselbe Anregung, die im Rahmen der Teilchenphysik als Higgs-Teilchen bezeichnet wird, auch in Supraleitern geben, die sogenannte Higgs-Mode. Anders als das Higgs-Teilchen ist die Higgs-Mode aber – ähnlich den Schallwellen in einer Flüssigkeit – eine gemeinschaftliche Schwingung einer Vielzahl von Elektronen, einer sogenannten kollektiven Mode.

Der experimentelle Nachweis der Higgs-Mode in Supraleitern erwies sich allerdings als äußerst schwierig, da sie in gewöhnlichen Supraleitern unsichtbar ist. Einer Forschergruppe um Martin Dressel von der Universität Stuttgart und Aviad Frydman (Tel Aviv) gelang es nun erstmals, in extrem dünnen supraleitenden Filmen eine ungewöhnlich starke Absorption von Licht zu messen, die in Einklang mit der theoretisch vorhergesagten Absorption durch die Higgs-Mode steht. Das Problem der Unsichtbarkeit umgingen sie mit einem Trick: Supraleiter können bei sehr tiefen Temperaturen Strom ohne Widerstand leiten. Sind sie hingegen nur wenige Atomlagen dünn und ist die regelmäßige Anordnung der Atome gestört, werden sie bei einem bestimmten Maß an Unordnung plötzlich isolierend. Rechnungen zeigen, dass nahe diesem Übergang von Supraleiter zu Isolator die Higgs-Mode sichtbar wird.

Die deutsch-israelische Kollaboration konnte das langsame Sichtbarwerden der Higgs-Mode für verschiedene Maße an Unordnung nachverfolgen und in perfekten Einklang mit theoretischen Vorhersagen bringen. Damit ist einerseits der erste direkte Nachweis der Higgs-Mode in Supraleitern gelungen. Dies dürfte die Suche in anderen ausgezeichneten Systemen motivieren und hat überdies Implikationen für andere ungeordnete Systeme der Festkörperphysik. Andererseits ist es ein interessanter Brückenschlag zwischen Festkörper- und Teilchenphysik.

U. Stuttgart / DE

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