في اكتشاف يبدو وكأنه مزحة فيزيائية بلا قافية، أثبت الباحثون لأول مرة أن التقلبات الكمية في الفراغ يمكن أن تعزز الموصلية الفائقة، مما يفتح مسارًا جديدًا للتحكم في حالات غريبة من المادة. أجل، الفراغ الخاوي أصبح الآن يؤدي واجبه.

الدراسة، التي نُشرت في مجلة نيتشر، قادها البروفيسوران تشانغان زنغ وقوانغهوي تشنغ من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين التابعة للأكاديمية الصينية للعلوم. وشارك في التعاون أيضًا البروفيسور تشينغدونغ جيانغ من جامعة شنغهاي جياو تونغ، والبروفيسور فرانك ويلتشيك من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وباحثون آخرون. هذه أسماء لامعة كثيرة لإثبات أن لا شيء يفعل شيئًا.

في اللغة اليومية، قد يبدو الفراغ وكأنه فضاء فارغ تمامًا. لكن فيزياء الكم ترسم صورة مختلفة جدًا. وفقًا للديناميكا الكهربائية الكمية ومبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ، حتى أدنى حالة طاقة ليست ساكنة تمامًا. تظهر الجسيمات الافتراضية وتختفي باستمرار، منتجة خلفية دائمة من التقلبات الكمية. لذا في المرة القادمة التي يصفك فيها أحدهم بأنك حضور فارغ، اشكره على المجاملة.

هذه التقلبات ليست نظرية فحسب. فقد لوحظت آثارها من خلال ظواهر راسخة مثل انزياح لامب، والانبعاث التلقائي، وتأثير كازيمير. إذن نعم، الكون كان يتفاخر بهدوء لعقود.

على مدى عدة سنوات، حققت الفرق التي يقودها زنغ وتشنغ في كيفية تأثير هذه التقلبات الفراغية على أنظمة المادة المكثفة. في دراسة سابقة، أظهر الباحثون أنهم يستطيعون التلاعب مباشرة بتقلبات الفراغ باستخدام مجال مغناطيسي لتبديل قوة كازيمير بين التجاذب والتنافر بشكل عكسي. أثارت تلك النتيجة سؤالًا أكبر: هل يمكن أيضًا استخدام تقلبات الفراغ الكمية للتحكم في حالات الكم العيانية؟

اقتربت مجموعة جيانغ من نفس المشكلة من منظور نظري، بدراسة كيف يمكن لبيئات الفراغ الكمية المصممة أن تؤثر على حالات مختلفة من المادة. قدم الباحثون مفهوم "الفراغيات" (vacuumronics)، حيث تُستخدم بيئات فراغ مصممة خصيصًا للتحكم في السلوك الإلكتروني والفوتوني. ساعد ذلك العمل النظري في توفير إطار لفهم تعزيز الموصلية الفائقة الملاحظ في التجارب الجديدة.

قال البروفيسور زنغ: "تقلبات الفراغ في الفضاء الحر ضعيفة عمومًا جدًا لإنتاج تأثيرات ملحوظة في أنظمة المادة المكثفة العيانية. للتغلب على هذا القيد، أدخلنا مرنان حلقي مشقوق يعمل بموجات التيراهيرتز. مثل هذا التجويف المظلم يمكنه إعادة تشكيل البيئة الكهرومغناطيسية وتضخيم تقلبات الفراغ بشكل كبير."

لاختبار الفكرة تجريبيًا، وضع الباحثون الموصل الفائق NbSe2 داخل تجويف مظلم للتيراهيرتز. أنشأ هذا نظامًا مقترنًا تفاعلت فيه المادة الفائقة التوصيل مع البيئة الكهرومغناطيسية المصممة خصيصًا داخل التجويف. ثم قارن الفريق سلوك المادة الفائقة التوصيل داخل التجويف وخارجه. أظهرت النتائج أن وضع NbSe2 في التجويف زاد بشكل كبير من درجة الحرارة الحرجة للموصلية الفائقة، وهي الدرجة التي تدخل تحتها المادة في حالتها الفائقة التوصيل.

قال البروفيسور تشنغ: "لاحظنا أن درجة الحرارة الحرجة يمكن أن تزيد بنسبة تصل إلى 5.4% في جهاز NbSe2 مكون من ست طبقات، بينما يتم تعزيز التيار الحرج والمجال المغناطيسي الحرج بشكل ملحوظ بالقرب من الانتقال الفائق التوصيل. هذا يمثل أول رصد تجريبي للموصلية الفائقة المعززة بتقلبات الفراغ." هذا صحيح: تعزيز بنسبة 5.4% من ما هو أساسًا ضجيج خلفية الكون.

أجرى الباحثون سلسلة من التجارب الضابطة لتحديد ما إذا كان التأثير يمكن تفسيره بتغيرات أكثر تقليدية في المادة. قاموا بتغيير عدة خصائص للإعداد، بما في ذلك هندسة التجويف، والتردد المميز، وسماكات المواد، والمواد العازلة، والشرائط المعدنية. النتائج أ