Физики впервые экспериментально доказали, что квантовые флуктуации вакуума можно усилить с помощью специально созданной полости и тем самым повысить сверхпроводимость тонкого материала. Исследование, о котором сообщает SciTechDaily, показало: пустое пространство не является по-настоящему пустым — даже в вакууме постоянно возникают и исчезают виртуальные частицы, порождая неустранимую квантовую активность.
Работу возглавили Чанггань Цзэн и Гуанхуэй Чэн из Университета науки и технологий Китая Китайской академии наук, вместе с Циндун Цзяном из Шанхайского университета Цзяо Тун, Фрэнком Вильчеком из Массачусетского технологического института и другими соавторами. Результаты опубликованы в журнале Nature. В квантовой электродинамике принцип неопределённости Гейзенберга означает, что даже низшее энергетическое состояние сохраняет неизбежную активность: виртуальные частицы непрерывно появляются и исчезают. Существование таких флуктуаций подтверждают известные эффекты — лэмбовский сдвиг, спонтанное излучение и эффект Казимира.
Цзэн и Чэн последние годы изучали, как вакуумные флуктуации влияют на системы конденсированного состояния. В более ранней работе их группа напрямую управляла вакуумными флуктуациями, используя магнитное поле для обратимого переключения силы Казимира с притяжения на отталкивание. Этот результат поставил более широкий вопрос: можно ли с помощью вакуумных флуктуаций управлять макроскопическими квантовыми состояниями? Параллельно команда Цзяна теоретически исследовала, как квантовый вакуум может контролировать состояния материи, предложив концепцию «вакуумтроники» (vacuumronics), в которой намеренно созданная вакуумная среда регулирует поведение электронов и фотонов. Эта теория дала основу для понимания усиленной сверхпроводимости, наблюдавшейся в новых экспериментах.
«Вакуумные флуктуации в свободном пространстве обычно слишком слабы, чтобы давать наблюдаемые эффекты в макроскопических системах конденсированного состояния, — сказал профессор Цзэн. — Чтобы преодолеть это ограничение, мы ввели терагерцевый резонатор с разомкнутыми кольцами. Такая тёмная полость способна перестраивать электромагнитную среду и значительно усиливать вакуумные флуктуации». Чтобы проверить, могут ли усиленные флуктуации влиять на сверхпроводимость, команда поместила сверхпроводник NbSe2 внутрь терагерцевой тёмной полости, создав связанное устройство «сверхпроводник — тёмная полость». Сравнение материала внутри и снаружи полости выявило заметное повышение критической температуры сверхпроводящего перехода — температуры, ниже которой материал становится сверхпроводником.
«Мы обнаружили, что критическая температура может возрастать до 5,4% в устройстве из шестислойного NbSe2, а критический ток и критическое магнитное поле значительно усиливаются вблизи сверхпроводящего перехода, — сказал профессор Чэн. — Это первое экспериментальное наблюдение сверхпроводимости, усиленной вакуумными флуктуациями». Затем исследователи проверили, не могут ли обычные эффекты объяснить усиление. Они систематически варьировали геометрию полости и её характерную частоту, толщину материалов, диэлектрики и металлические полоски. Эти контрольные эксперименты позволили исключить такие факторы, как деформация, деградация материала, неоднородность и эффекты металлического экранирования. Особенно важная подсказка появилась, когда усиление сверхпроводимости показало пиковую зависимость от характерной частоты тёмной полости. «Этот результат, тесно связанный с фотонными свойствами полости, даёт сильное экспериментальное свидетельство связи сверхпроводящего состояния с модами тёмной полости», — сказал профессор Цзэн.
Команда Цзяна и Вильчек также разработали теоретическую модель, объясняющую возникновение эффекта. В рамках теории Гинзбурга — Ландау они предположили, что сверхпроводящее состояние обменивается виртуальными фотонами с тёмной полостью. Это взаимодействие понижает энергию сверхпроводящего состояния, что, в свою очередь, усиливает сверхпроводимость. «Когда характерная энергия моды полости совпадала с низкоэнергетическими сверхпроводящими флуктуациями, устройство на основе NbSe2 демонстрировало резонансное усиление, давая пик в усилении сверхпроводимости, — сказал профессор Цзян. — В большинстве практической физики вакуум служит лишь пассивной сценой, на которой разыгрываются явления. Эта работа показывает, что сам фон может стать действующим лицом — настроенным так, чтобы усиливать сверхпроводимость и менять поведение квантовой материи», — сказал профессор Вильчек. Управляя средой полости, исследователи усилили сверхпроводимость без внешнего воздействия, предложив бесконтактный способ влиять на квантовые состояния материи. Подход говорит о том, что тщательно спроектированная вакуумная среда может стать ещё одним средством управления квантовыми материалами. «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.