Исследователи впервые показали, что квантовые флуктуации вакуума способны усиливать сверхпроводимость. Это открывает новый путь к управлению необычными состояниями материи. Работа опубликована в журнале Nature.
Исследование провели профессора Чангань Цзэн и Гуанхуэй Чэн из Университета науки и технологий Китая Китайской академии наук. В работе также участвовали профессор Циндун Цзян из Шанхайского университета Цзяо Тун, профессор Фрэнк Вильчек из Массачусетского технологического института и другие специалисты.
В обыденном понимании вакуум — это совершенно пустое пространство. Однако квантовая физика рисует иную картину. Согласно квантовой электродинамике и принципу неопределённости Гейзенберга, даже самое низкое энергетическое состояние никогда не бывает полностью неподвижным. Виртуальные частицы постоянно возникают и исчезают, создавая постоянный фон квантовых флуктуаций. Эти флуктуации не являются чисто теоретической абстракцией: их эффекты наблюдались в таких явлениях, как лэмбовский сдвиг, спонтанное излучение и эффект Казимира.
На протяжении нескольких лет группы под руководством Цзэна и Чэна изучали, как вакуумные флуктуации влияют на системы конденсированного состояния. В более ранней работе они показали, что могут напрямую управлять вакуумными флуктуациями, используя магнитное поле для обратимого переключения силы Казимира между притяжением и отталкиванием. Это подтолкнуло к более широкому вопросу: можно ли с помощью квантовых вакуумных флуктуаций управлять макроскопическими квантовыми состояниями? Группа Цзяна подошла к той же проблеме с теоретической стороны, изучая, как искусственно созданная квантовая вакуумная среда может влиять на различные состояния материи. Исследователи ввели понятие «вакуумтроники» (vacuumronics), в котором специально спроектированная вакуумная среда используется для управления поведением электронов и фотонов. Эта теоретическая работа помогла создать основу для понимания усиления сверхпроводимости, наблюдавшегося в новых экспериментах.
«Вакуумные флуктуации в свободном пространстве, как правило, слишком слабы, чтобы вызывать наблюдаемые эффекты в макроскопических системах конденсированного состояния, — сказал профессор Цзэн. — Чтобы преодолеть это ограничение, мы ввели терагерцевый резонатор с разомкнутым кольцом. Такая тёмная полость способна перестраивать электромагнитную среду и существенно усиливать вакуумные флуктуации». Для экспериментальной проверки идеи исследователи поместили сверхпроводник NbSe2 внутрь терагерцевой тёмной полости. Так была создана связанная система, в которой сверхпроводящий материал взаимодействовал со специально сформированной электромагнитной средой внутри полости. Затем команда сравнила сверхпроводящее поведение материала внутри и вне полости. Результаты показали, что помещение NbSe2 в полость значительно повышает его критическую температуру сверхпроводящего перехода — температуру, ниже которой материал переходит в сверхпроводящее состояние.
«Мы наблюдали, что критическая температура может возрастать до 5,4% в устройстве на основе шестислойного NbSe2, а критический ток и критическое магнитное поле заметно усиливаются вблизи сверхпроводящего перехода, — сказал профессор Чэн. — Это первое экспериментальное наблюдение усиления сверхпроводимости за счёт вакуумных флуктуаций». Чтобы выяснить, можно ли объяснить эффект более привычными изменениями материала, исследователи провели серию контрольных экспериментов. Они варьировали геометрию полости, характеристическую частоту, толщину материалов, диэлектрические материалы и металлические полоски. Полученные результаты позволили исключить объяснения, связанные с деформацией, деградацией материала, неоднородностью и эффектами металлического экранирования. Одним из самых сильных доводов стала связь между усилением сверхпроводимости и характеристической частотой тёмной полости. Вместо плавного изменения усиление демонстрировало резонансный пик на определённой частоте. «Этот результат, тесно связанный с фотонными свойствами полости, даёт убедительное экспериментальное подтверждение связи между сверхпроводящим состоянием и модами тёмной полости», — сказал профессор Цзэн.
Для объяснения наблюдаемого команда Цзяна и Вильчека разработала теоретическую модель на основе формализма Гинзбурга — Ландау. Согласно их трактовке, сверхпроводящее состояние обменивается виртуальными фотонами с тёмной полостью. Это взаимодействие понижает энергию сверхпроводящего состояния, делая сверхпроводимость более устойчивой и фактически усиливая её. «Когда характеристическая энергия моды полости совпадала с низкоэнергетическими сверхпроводящими флуктуациями, устройство на основе NbSe2 демонстрировало резонансное усиление, что и давало пик в усилении сверхпроводимости», — сказал профессор Цзян. Результат меняет привычное представление физиков о вакууме. Вместо того чтобы служить лишь пустым фоном, квантовый вакуум потенциально можно проектировать так, чтобы он влиял на поведение самой материи. «В большинстве практических разделов физики вакуум служит лишь пассивной сценой, на которой разворачиваются явления. Эта работа показывает, что сам фон может стать действующим лицом — спроектированным так, чтобы усиливать сверхпроводимость и менять поведение квантовой материи», — сказал профессор Вильчек.
Такой подход усиливает сверхпроводимость без прямого воздействия на материал внешним источником энергии. Вместо этого исследователи перестраивают окружающую вакуумную среду, что даёт бесконтактный способ влияния на квантовое состояние материи. В перспективе это может сделать управляемые вакуумные флуктуации полезным новым механизмом контроля для сверхпроводников и других квантовых материалов. «При дальнейшей оптимизации структур полостей и материальных систем связь через вакуумные флуктуации может обеспечить более выраженное и широко применимое управление квантовыми состояниями», — сказал профессор Цзэн.