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(dǎo)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(huì)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(xué)生，你也可能聽說過一些關(guān)于希格斯玻色子的事情。

諾貝爾獎(jiǎng)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)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(dú)立理論化而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，認(rèn)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(xué)的物理學(xué)家在2012年的一篇研究論文的作者名單上，描述了對(duì)撞機(jī)的ATLAS實(shí)驗(yàn)如何觀察到一種后來被證實(shí)是希格斯粒子的新粒子。

現(xiàn)在，愛荷華州立大學(xué)物理學(xué)和天文學(xué)教授、美國能源部艾姆斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家王繼剛和一組研究人員在超導(dǎo)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(dǎo)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(xué)麥迪遜分校的Theodore H. Geballe教授;Ilias Perakis，阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校物理學(xué)教授兼主席;佛羅里達(dá)州立大學(xué)機(jī)械工程教授兼臨時(shí)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(bào)告了細(xì)節(jié)。

他們寫道，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)阼F基，高溫（但仍然非常冷），多能帶，非常規(guī)超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)可以使用希格斯粒子來探測(cè)暗能量或反物質(zhì)，以幫助我們了解宇宙的起源，”王說�！拔覀�?cè)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(dòng)高速計(jì)算和信息技術(shù)的新“量子革命”。

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

超導(dǎo)體的光控制

該項(xiàng)目采用三管齊下的方法來訪問和理解隱藏在超導(dǎo)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(dǎo)通過超導(dǎo)體的電子對(duì)。該工具使用激光閃光作為控制旋鈕來加速超電流并進(jìn)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(shù)，該技術(shù)可以生產(chǎn)鐵基超導(dǎo)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(dǎo)薄膜的開發(fā)開發(fā)了沉積源。

Perakis的小組領(lǐng)導(dǎo)了量子模型和理論的發(fā)展，以解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果并模擬來自希格斯模式的顯著特征。

這項(xiàng)工作得到了美國國家科學(xué)基金會(huì)對(duì)王的資助以及美國能源部對(duì)Eom和Perakis的資助。

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

所有這些領(lǐng)域的研究人員都有充分、實(shí)際的理由在這個(gè)項(xiàng)目上共同努力。在這種情況下，來自四個(gè)研究小組的學(xué)生與他們的導(dǎo)師一起完成了這一發(fā)現(xiàn)。

“科學(xué)家和工程師，”王在一份研究摘要中寫道，“近期開始意識(shí)到，某些材料，如超導(dǎo)體，具有可用于量子信息和能源科學(xué)應(yīng)用的特性，例如處理、記錄、存儲(chǔ)和通信。