In einem Befund, der wie ein Physikwitz ohne Pointe klingt, haben Forscher erstmals gezeigt, dass Quantenfluktuationen im Vakuum die Supraleitung verstärken können – und damit einen neuen Weg zur Kontrolle ungewöhnlicher Materiezustände eröffnen. Ja, die leere Leere trägt jetzt ihren Teil bei.

Die in Nature veröffentlichte Studie wurde von den Professoren Changgan Zeng und Guanghui Cheng von der University of Science and Technology of China der Chinesischen Akademie der Wissenschaften geleitet. An der Kollaboration waren außerdem Prof. Qingdong Jiang von der Shanghai Jiao Tong University, Prof. Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology und weitere Forscher beteiligt. Das sind eine Menge illustrer Namen, um zu beweisen, dass das Nichts etwas tut.

Im Alltagssprachgebrauch klingt ein Vakuum wie vollkommen leerer Raum. Die Quantenphysik zeichnet ein ganz anderes Bild. Gemäß der Quantenelektrodynamik und der Heisenbergschen Unschärferelation ist selbst der niedrigste Energiezustand nie vollkommen still. Virtuelle Teilchen erscheinen und verschwinden fortwährend und erzeugen einen allgegenwärtigen Hintergrund von Quantenfluktuationen. Wenn dich also das nächste Mal jemand eine geistig leere Präsenz nennt, bedanke dich für das Kompliment.

Diese Fluktuationen sind nicht bloß theoretisch. Ihre Effekte wurden durch wohl etablierte Phänomene wie die Lamb-Verschiebung, die spontane Emission und den Casimir-Effekt beobachtet. Also ja, das Universum hat jahrzehntelang still damit angegeben.

Seit mehreren Jahren haben die von Zeng und Cheng geleiteten Teams untersucht, wie diese Vakuumfluktuationen kondensierte Materie beeinflussen. In einer früheren Studie zeigten die Forscher, dass sie Vakuumfluktuationen direkt manipulieren konnten, indem sie mit einem Magnetfeld die Casimir-Kraft reversibel zwischen Anziehung und Abstoßung umschalteten. Dieses Ergebnis warf eine größere Frage auf: Könnten Quantenvakuumfluktuationen auch genutzt werden, um makroskopische Quantenzustände zu kontrollieren?

Jiangs Gruppe hat sich demselben Problem aus theoretischer Perspektive genähert und untersucht, wie maßgeschneiderte Quantenvakuumumgebungen verschiedene Materiezustände beeinflussen könnten. Die Forscher führten das Konzept der „Vacuumronics“ ein, bei dem speziell entworfene Vakuumumgebungen genutzt werden, um elektronisches und photonisches Verhalten zu steuern. Diese theoretische Arbeit half, einen Rahmen zum Verständnis der in den neuen Experimenten beobachteten Verstärkung der Supraleitung zu liefern.

„Vakuumfluktuationen im freien Raum sind im Allgemeinen zu schwach, um beobachtbare Effekte in makroskopischen kondensierten Materiesystemen zu erzeugen“, sagte Prof. Zeng. „Um diese Einschränkung zu überwinden, führten wir einen Terahertz-Split-Ring-Resonator ein. Ein solcher dunkler Hohlraum kann die elektromagnetische Umgebung umgestalten und Vakuumfluktuationen erheblich verstärken.“

Um die Idee experimentell zu testen, platzierten die Forscher den Supraleiter NbSe2 in einem Terahertz-Dunkelhohlraum. Dadurch entstand ein gekoppeltes System, in dem das supraleitende Material mit der speziell entwickelten elektromagnetischen Umgebung im Hohlraum wechselwirkte. Das Team verglich dann das supraleitende Verhalten des Materials innerhalb und außerhalb des Hohlraums. Die Ergebnisse zeigten, dass das Platzieren von NbSe2 im Hohlraum seine supraleitende kritische Temperatur deutlich erhöhte – die Temperatur, unterhalb derer das Material in seinen supraleitenden Zustand übergeht.

„Wir beobachteten, dass die kritische Temperatur in einem sechslagigen NbSe2-Bauelement um bis zu 5,4 % ansteigen kann, während der kritische Strom und das kritische Magnetfeld nahe dem supraleitenden Übergang deutlich verstärkt werden“, sagte Prof. Cheng. „Dies ist die erste experimentelle Beobachtung von durch Vakuumfluktuationen verstärkter Supraleitung.“ Genau: eine Steigerung um 5,4 % durch das, was im Wesentlichen das Hintergrundrauschen des Universums ist.

Die Forscher führten eine Reihe von Kontrollexperimenten durch, um festzustellen, ob der Effekt durch konventionellere Veränderungen des Materials erklärt werden könnte. Sie variierten mehrere Eigenschaften des Aufbaus, darunter die Hohlraumgeometrie, die charakteristische Frequenz, Materialdicken, dielektrische Materialien und Metallstreifen. Die Ergebnisse a