Китайские и американские физики впервые получили опытное подтверждение: сверхпроводимость удаётся усиливать за счёт флуктуаций вакуума. Результаты опубликованы в Nature, о работе рассказывает SciTechDaily. Об этом рассказывает MiraNews.
Пустотой вакуум только кажется. В нём постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Такую активность допускает принцип неопределённости Гейзенберга, а её следы физики наблюдают давно — спонтанное излучение, лэмбовский сдвиг, эффект Казимира.
Возглавили исследование Чангань Цзэн и Гуанхуэй Чэн из Университета науки и технологий Китая Китайской академии наук. В числе участников — Циндун Цзян из Шанхайского университета Цзяо Тун, Фрэнк Вильчек из Массачусетского технологического института и другие специалисты. Ранее эта же команда уже управляла флуктуациями вакуума: под действием магнитного поля сила Казимира переключалась с притяжения на отталкивание. Тогда и возник вопрос, можно ли через эти процессы влиять на макроскопические квантовые состояния.
Параллельно группа Цзяна теоретически разбирала, как квантовый вакуум управляет состояниями материи. Появилась концепция «вакуумной электроники» (vacuumronics): специально устроенная вакуумная среда задаёт поведение электронов и фотонов. Именно эта теория объяснила усиленную сверхпроводимость, которую зафиксировали в новых опытах.
Схема опыта такова. Сверхпроводник NbSe2 поместили внутрь терагерцового резонатора с разрезными кольцами — тёмной полости. «Вакуумные флуктуации в свободном пространстве обычно слишком слабы, чтобы давать наблюдаемый эффект в макроскопических конденсированных системах, — пояснил профессор Цзэн. — Чтобы преодолеть это ограничение, мы использовали терагерцовый резонатор с разрезными кольцами. Такая тёмная полость способна перестраивать электромагнитную среду и значительно усиливать вакуумные флуктуации».
Сравнение образцов внутри и снаружи резонатора показало заметный рост критической температуры — порога, ниже которого материал переходит в сверхпроводящее состояние. «Мы обнаружили, что критическая температура может увеличиваться до 5,4% в шестислойном устройстве на основе NbSe2, а критический ток и критическое магнитное поле существенно возрастают вблизи сверхпроводящего перехода, — отметил профессор Чэн. — Это первое экспериментальное наблюдение сверхпроводимости, усиленной вакуумными флуктуациями».
Дальше учёные проверили, не кроется ли причина в чём-то более обыденном. Менялись геометрия полости и её характерная частота, толщина материалов, диэлектрики и металлические полоски. Контрольные опыты сняли подозрения о деформации, деградации материала, неоднородности и металлическом экранировании. Главной подсказкой оказался пик на зависимости усиления от характерной частоты тёмной полости. «Этот результат тесно связан с фотонными свойствами резонатора и служит сильным экспериментальным доказательством связи сверхпроводящего состояния с модами тёмной полости», — заявил профессор Цзэн.
Теоретическую модель построили Цзян и Вильчек. В рамках теории Гинзбурга — Ландау они предположили, что сверхпроводящее состояние обменивается с тёмной полостью виртуальными фотонами. Такой обмен понижает энергию состояния, а сверхпроводимость от этого крепнет. «Когда характерная энергия моды полости совпадала с низкоэнергетическими сверхпроводящими флуктуациями, устройство на NbSe2 демонстрировало резонансное усиление, давая пик на зависимости усиления сверхпроводимости, — сказал профессор Цзян. — В большинстве практических задач физики вакуум служит лишь пассивной сценой, на которой разворачиваются явления. Эта работа показывает, что сам фон может стать действующим лицом — его можно настроить так, чтобы усиливать сверхпроводимость и менять поведение квантовой материи», — добавил профессор Вильчек.
Настраивая среду полости, физики добились усиления сверхпроводимости без внешней накачки. Это даёт бесконтактный способ воздействия на квантовые состояния материи. При дальнейшей оптимизации структур полостей и материальных систем связь через флуктуации вакуума способна обеспечить более выраженное и широко применимое управление квантовыми состояниями, заключил профессор Цзэн.