2025年7月,艾姆斯国家实验室(Ames Laboratory)与爱荷华州立大学的科研团队揭示了一种前所未见的量子现象:在超导体内部出现的"希格斯回声"。这一发现刊登于Science Advances,并由团队负责人Jigang Wang及多位合作者共同署名。研究利用先进的太赫兹(THz)光谱技术,观测到在超导相变中短暂存在的希格斯模与准粒子之间复杂干涉所产生的回声信号。该成果对超导体中的量子相干现象、信息编码和量子传感应用具有重要启示。 超导体以无电阻传导著称,而在超导相变附近,体系内会出现集体振动模态,其中之一便是被称为"希格斯模"的振荡。希格斯模可以被视为超导能隙幅值的振荡,类似于粒子物理中的希格斯玻色子的某些数学特征,因此得名。
希格斯模寿命通常极短,难以直接探测;更复杂的是,超导体中的准粒子 - - 由电子相互作用和凝聚态破裂所形成的类电子激发 - - 会与希格斯模发生耦合,使得信号更加复杂和难以解析。 研究团队克服这些挑战的关键在于精确控制和测量太赫兹脉冲。通过极短、精确定时的THz脉冲序列,科研人员不仅激发了超导体内部的希格斯模振荡,还在随后测量中观测到一种时间上延迟的回声信号。与原子或半导体中常见的自旋回声或光学回声不同,希格斯回声并非单一激发的简单回放,而是希格斯模与准粒子之间相互干涉、并记录体系量子路径信息的一种复合响应。正如Wang所述,希格斯回声能够"记住并揭示隐藏在材料内部的量子通道",为编码、存储和读取嵌入于超导体的量子信息提供了新思路。 从实验角度看,研究者选择了用于量子电路的超导铌材料作为样品,这是因为铌在量子计算硬件中应用广泛且超导特性稳定。
实验流程包括施加一系列可控的THz泵脉冲以激发希格斯振荡,然后通过后续探测脉冲读取体系响应,最终在时间分辨的信号中识别出回声特征。数据分析显示,这些回声具有与传统回声不同的相位与频谱特征,明显受准粒子态密度与耦合强度影响。研究团队将这些观测与理论模型相对比,指出回声来源于希格斯相干与准粒子通道的干涉,而不是简单的线性响应或热效应。 这项发现的意义不仅限于基础物理学的理解拓展。首先,它为探索超导体中短暂量子相干提供了新的时域工具。传统测量往往受限于希格斯模式的短寿命和噪声背景,难以解析其与其他激发的耦合关系。
而希格斯回声通过干涉效应放大并转化了这些短暂信息,使得隐藏在表面之下的量子路径变得可探测。其次,回声的可控激发与读取提示了将超导体作为量子信息载体的可能性。通过设计特定的THz脉冲序列,理论上可以在超导体内编码并检索某些量子态信息,为量子存储或瞬时量子处理提供新途径。 此外,希格斯回声还可能推动高灵敏度量子传感器的发展。超导体对外界扰动极为敏感,希格斯模与准粒子响应的细微变化会反映外部环境参数的微小变化。利用回声信号作为读出机制,结合噪声抑制与相干控制,有望实现对磁场、温度或电流等物理量的超高灵敏度探测。
这对基础科学研究和技术应用均具有广阔前景,尤其是在需要在极低温环境中进行微弱信号测量的量子设备中。 当然,研究也指出若干挑战。希格斯回声信号的产生依赖于精确的脉冲时序和样品纯度,环境噪声、材料缺陷以及测量系统的稳定性都会影响可重复性。将实验室中的演示转化为可用的量子存储或传感器方案,需要进一步优化材料工艺、提升控制精度并发展更强健的解码算法。理论上也需要更深入的模型来描述强耦合、非平衡态下的希格斯 - 准粒子相互作用,以便为工程化应用提供可靠的设计规则。 该研究得到了美国能源部超导量子材料与系统中心(SQMS)部分支持。
SQMS由费米国家加速器实验室牵头,汇集三十余个合作机构,旨在推动超导量子材料与器件的突破性进展。艾姆斯国家实验室作为能源部辖下实验室之一,与高校和产业界的协同为此类跨学科研究提供了重要平台。论文作者包括Chuankun Huang、Martin Mootz、Liang Luo、Di Cheng、Avinash Khatri、Joong-Mok Park、Richard H. J. Kim、Yihua Qiang、Victor L. Quito、Yongxin Yao、Peter P. Orth、Ilias E. Perakis与Jigang Wang等,文章题为"Discovery of an unconventional quantum echo by interference of Higgs coherence"。 从更宏观的角度看,希格斯回声的发现反映了量子凝聚态物理学研究向动态时域与非平衡过程转移的趋势。传统的谱学方法多关注能量域信息,而利用时间分辨技术可以直接观察短暂、复杂的相干过程,这对理解量子材料的基本机制至关重要。随着激光技术、快探测器和理论数值方法的进步,未来还会有更多类似的"短生命"量子现象被捕捉并加以利用。
对产业界和量子工程师而言,这一发现提供了新的设计维度。超导量子位(qubit)与电路需要在保证相干性的同时实现可控性和可读性。希格斯回声或可作为诊断工具,帮助识别凝聚态体系中的失相干通道、材料缺陷或电磁噪声源,从而推动更可靠量子硬件的开发。长期来看,若能将基于回声的编码方式与现有量子处理架构结合,或能实现某些特定任务的加速或容错设计。 学术界的后续工作可能集中在扩展材料种类、优化脉冲协议和构建更全面的理论框架上。不同超导材料(如铌、铅或更复杂的铜氧化物与铁基超导体)在希格斯模能量、寿命及与准粒子耦合方式上存在差异,比较研究将帮助识别最适合应用的体系。
另一方面,将回声观测与低温电子传输、扫描探针或微波量子电路结合,也可能揭示更多跨尺度的物理联系。 总之,希格斯回声的发现既是对超导体内在量子动力学理解的深化,也是面向应用的潜在突破。通过太赫兹时域光谱技术,研究者们打开了一扇通向超导相干控制的新门。未来若能解决工程化和可重复性问题,这种基于希格斯模与准粒子干涉的量子回声技术有望在量子信息存储、量子传感与量子器件诊断等领域发挥重要作用,推进量子科技从实验室探索走向实际应用。 。
