Première ! Bar-Ilan (Israël) met en évidence l’équivalent du mécanisme de Higgs dans un matériau supraconducteur
[:fr]La découverte du boson de Higgs a eu lieu en 2012 dans le grand collisionneur de hadrons du CERN, une installation souterraine où des particules subatomiques sont propulsées à la vitesse proche de celle de la lumière dans un anneau de 27 km de long pour reproduire les conditions de la création de l’univers. Il y a plus de 50 ans, la première hypothèse sur l’existence du boson de Higgs avait été inspirée par l’étude sur les supraconducteurs, une catégorie particulière de métaux qui, une fois refroidis à des températures très basses, permettent aux électrons de se déplacer sans résistance.
Une équipe de chercheurs dirigée par des physiciens israéliens de l’université Bar-Ilan et allemands vient de montrer, pour la première fois, la présence d’un boson de Higgs dans des matériaux supraconducteurs.
Contrairement à la très dispendieuse installation du CERN (4,75 milliards de dollars) ces résultats ont été atteints dans un laboratoire « normal » à un coût relativement faible. Grâce à cette nouvelle approche, il pourrait bientôt être possible de résoudre des mystères de longue date de la physique fondamentale, à travers des expériences menées non pas dans un accélérateur coûtant des milliards de dollars, mais sur une simple table de laboratoire.
La découverte du boson de Higgs avait validé l’hypothèse du Modèle Standard, qui prédit que les particules acquièrent une masse en traversant le champ de Higgs qui ralentit leur mouvement à travers le vide de l’espace. «Tout comme les expériences du CERN ont révélé l’existence du boson de Higgs dans un accélérateur à haute énergie, nous avons révélé un analogue du boson de Higgs dans des supraconducteurs », explique le Pr Aviad Frydman, du département de physique de l’Université Bar-Ilan, qui a dirigé l’étude avec le Pr Martin Dressel, de l’Université de Stuttgart, dans le cadre d’une collaboration internationale incluant d’autres chercheurs d’Israël, d’Inde et des États-Unis. Le doctorant Daniel Sherman, membre du laboratoire d’Aviad Frydman, a mené une grande partie de l’étude et figure en tant que premier auteur dans la publication.
Aviad Frydman explique : « le boson de Higgs n’avait jamais été observé dans les supraconducteurs à cause de difficultés techniques, difficultés que nous avons réussi à surmonter. »
Aviad Frydman et ses collègues ont ainsi trouvé une nouvelle méthode pour conduire les expériences sur les bosons de Higgs. « Nous avons utilisé les propriétés supraconductrices de films ultra-minces très désordonnés de Niobium nitrite (NbN) et d’Oxyde d’indium (InO), près du point critique quantique qui sépare l’isolant du supraconducteur. Cela a permis de créer les conditions pour produire un boson de Higgs à des énergies relativement basses».
Selon Aviad Frydman, cette observation est importante car elle révèle comment ce type de processus se comporte dans des conditions d’énergie radicalement différentes. «Exciter un boson de Higgs dans un accélérateur de particules nécessite des niveaux d’énergie énormes, mesurés en gigaélectronvolts, ou 109 eV » explique le Pr Frydman. « Le même phénomène se produit dans les supraconducteurs à une échelle d’énergie totalement différente, juste un millième d’un seul électron. C’est fascinant de voir comment, dans des systèmes très différents, la même physique fondamentale est à l’œuvre.»
En outre, la nature robuste du boson de Higgs récemment observé dans un supraconducteur pourrait faciliter la recherche de la controversée « particule de Dieu », le « chaînon manquant » insaisissable du Modèle Standard.
Le Pr Aviad Frydman, membre du Département de physique de l’Université Bar-Ilan, professeur à l’Institut BINA (Nanotechnologie et Matériaux Avancés), est un expert en physique mésoscopique, discipline qui étudie les problèmes de physique fondamentale quand un objet macroscopique est miniaturisé. Le Pr Frydman étudie le magnétisme de basse dimension et la supraconductivité, des sujets de grand intérêt pour les chercheurs, car ils sont à la clé du potentiel des nanotechnologies pour fabriquer des dispositifs électroniques super miniaturisés.
Publication dans Nature Physics, janvier 2015
[:en]The Nobel Prize-winning discovery of the Higgs boson – the “God particle” believed responsible for all the mass in the universe – took place in 2012 at CERN’s Large Hadron Collider, an underground facility where accelerated sub-atomic particles zip around the circumference of a 27-kilometer (16.9-mile) ring-shaped tunnel. But what goes around comes around: more than 50 years ago, the first hint of Higgs was inspired by the study of superconductors – a special class of metals that, when cooled to very low temperatures, allow electrons to move without resistance.
Now, a research team led by Israeli and German physicists has closed a circle, by reporting the first-ever observations of the Higgs mode in superconducting materials.
Unlike the mega-expensive sub-atomic smashups at CERN – a facility that cost about $4.75 billion to build – these findings, presented in the prestigious scientific journal Nature Physics, were achieved through experiments conducted in a regular laboratory at relatively low cost.
The discovery of the Higgs boson verified the Standard Model, which predicted that particles gain mass by passing through a field that slows down their movement through the vacuum of space. “Just as the CERN experiments revealed the existence of the Higgs boson in a high-energy accelerator environment, we have now revealed a Higgs boson analogue in superconductors,” says Prof. Aviad Frydman, a member of Bar-Ilan University’s Department of Physics, who directed the study together with Prof. Martin Dressel, of Stuttgart University, as part of an international collaboration that also included other research teams from Israel, India and the United States. Doctoral student Daniel Sherman, a member of Frydman’s Bar-Ilan laboratory, conducted much of the investigation and is listed as the publication’s first author.
Frydman explains that the new discovery brings the search for the Higgs boson back to its source. “Ironically, while the discussion about this ‘missing link’ in the Standard Model was inspired by superconductor theory, the Higgs mode was never actually observed in superconductors because of technical difficulties – difficulties that we’ve managed to overcome.”
In their Nature Physics publication, Frydman and his colleagues describe a new method for conducting Higgs physics experiments. “The high energy required to excite a Higgs mode in superconductors tends to break apart the electron pairs serving as this type of material’s basic charge. This causes rapid decay into particle-hole pairs, and suppresses the material’s superconducting nature,” Frydman says. “We solved this problem by using disordered and ultra-thin superconducting films of Niobium Nitrite (NbN) and Indium Oxide (InO) near the superconductor-insulator critical point – a state in which recent theory predicted the rapid decay of the Higgs would no longer occur. This created the conditions to excite a Higgs mode at relatively low energies.”
According to Frydman, observation of the Higgs mechanism in superconductors is significant because it reveals how a single type of physical process behaves under drastically different energy conditions. “Exciting the Higgs mode in a particle accelerator requires enormous energy levels – measured in giga-electronvolts, or 109 eV,” Frydman says. “The parallel phenomenon in superconductors occurs on a different energy scale entirely – just one-thousandth of a single electronvolt. What’s exciting is to see how, even in these highly disparate systems, the same fundamental physics is at work.”
Moreover, the robust nature of the newly-observed Higgs mode in superconductors could make it easier for scientists to study the still-controversial “God particle” – the elusive “missing link” in the Standard Theory of particle physics believed responsible for imparting mass to all the matter in the universe. Thanks to this new approach, it may soon be possible to solve long-standing mysteries of fundamental physics, through experiments conducted – not in a multi-billion dollar accelerator complex – but on a laboratory tabletop.
Prof. Aviad Frydman, a member of the Bar-Ilan University Department of Physics who also holds an appointment at the University’s Institute for Nanotechnology and Advanced Materials (BINA), is an expert on mesoscopic physics – an area concerned with the fundamental physical problems that occur when a macroscopic object is miniaturized. Specifically, Prof. Frydman is exploring low-dimensional magnetism and superconductivity, subjects that are of interest to researchers because they hold the key to actualizing the potential of nanotechnology for the manufacture of super-miniaturized electronic devices.
Published in Nature Physics, january 2015[:]
