Des scientifiques renforcent un supraconducteur avec littéralement rien
Les physiciens ont prouvé qu'un vide soigneusement conçu peut augmenter la supraconductivité jusqu'à 5,4 %, faisant de l'espace vide le membre le plus productif de l'équipe de recherche.
Dans une découverte qui ressemble à une blague de physicien sans chute, des chercheurs ont démontré pour la première fois que les fluctuations quantiques du vide peuvent renforcer la supraconductivité, ouvrant une nouvelle voie pour contrôler des états exotiques de la matière. Oui, le néant vide tire désormais son poids.
L'étude, publiée dans Nature, a été dirigée par les professeurs Changgan Zeng et Guanghui Cheng de l'Université des sciences et technologies de Chine de l'Académie chinoise des sciences. La collaboration comprenait également le professeur Qingdong Jiang de l'Université Jiao Tong de Shanghai, le professeur Frank Wilczek du Massachusetts Institute of Technology, et d'autres chercheurs. Cela fait beaucoup de noms distingués pour prouver que rien fait quelque chose.
En langage courant, un vide peut sembler être un espace complètement vide. La physique quantique brosse un tableau très différent. Selon l'électrodynamique quantique et le principe d'incertitude de Heisenberg, même l'état d'énergie le plus bas n'est jamais parfaitement immobile. Des particules virtuelles apparaissent et disparaissent continuellement, produisant un fond omniprésent de fluctuations quantiques. Alors la prochaine fois que quelqu'un vous traite de présence vide, remerciez-le pour le compliment.
Ces fluctuations ne sont pas simplement théoriques. Leurs effets ont été observés à travers des phénomènes bien établis tels que le décalage de Lamb, l'émission spontanée et l'effet Casimir. Alors oui, l'univers se pavane discrètement depuis des décennies.
Pendant plusieurs années, les équipes dirigées par Zeng et Cheng ont étudié comment ces fluctuations du vide affectent les systèmes de matière condensée. Dans une étude antérieure, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient manipuler directement les fluctuations du vide en utilisant un champ magnétique pour basculer de manière réversible la force de Casimir entre attraction et répulsion. Ce résultat a soulevé une question plus large : les fluctuations quantiques du vide pourraient-elles également être utilisées pour contrôler des états quantiques macroscopiques ?
Le groupe de Jiang a abordé le même problème d'un point de vue théorique, en étudiant comment des environnements quantiques vides artificiels pourraient influencer différents états de la matière. Les chercheurs ont introduit le concept de « vacuumronique », dans lequel des environnements vides spécialement conçus sont utilisés pour contrôler le comportement électronique et photonique. Ce travail théorique a aidé à fournir un cadre pour comprendre l'amélioration de la supraconductivité observée dans les nouvelles expériences.
« Les fluctuations du vide dans l'espace libre sont généralement trop faibles pour produire des effets observables dans les systèmes macroscopiques de matière condensée », a déclaré le professeur Zeng. « Pour surmonter cette limitation, nous avons introduit un résonateur à anneau fendu térahertz. Une telle cavité sombre peut remodeler l'environnement électromagnétique et amplifier considérablement les fluctuations du vide. »
Pour tester l'idée expérimentalement, les chercheurs ont placé le supraconducteur NbSe2 à l'intérieur d'une cavité sombre térahertz. Cela a créé un système couplé dans lequel le matériau supraconducteur interagissait avec l'environnement électromagnétique spécialement conçu à l'intérieur de la cavité. L'équipe a ensuite comparé le comportement supraconducteur du matériau à l'intérieur et à l'extérieur de la cavité. Les résultats ont montré que placer NbSe2 dans la cavité augmentait significativement sa température critique supraconductrice, la température en dessous de laquelle le matériau entre dans son état supraconducteur.
« Nous avons observé que la température critique peut augmenter jusqu'à 5,4 % dans un dispositif NbSe2 à six couches, tandis que le courant critique et le champ magnétique critique sont significativement renforcés près de la transition supraconductrice », a déclaré le professeur Cheng. « Cela représente la première observation expérimentale d'une supraconductivité renforcée par les fluctuations du vide. » C'est exact : une augmentation de 5,4 % provenant de ce qui est essentiellement le bruit de fond de l'univers.
Les chercheurs ont mené une série d'expériences de contrôle pour déterminer si l'effet pouvait être expliqué par des changements plus conventionnels du matériau. Ils ont fait varier plusieurs propriétés de la configuration, notamment la géométrie de la cavité, la fréquence caractéristique, les épaisseurs des matériaux, les matériaux diélectriques et les bandes métalliques. Les résultats a
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