과학자들, 말 그대로 아무것도 사용하지 않고 초전도체를 더 강하게 만들어

펀치라인이 없는 물리학 농담처럼 들리는 발견에서, 연구자들은 처음으로 진공의 양자 요동이 초전도성을 강화할 수 있음을 입증하여 특이한 물질 상태를 제어할 새로운 길을 열었다. 그래, 이제 텅 빈 공허도 제 몫을 하고 있다.

네이처에 발표된 이 연구는 중국과학원 산하 중국과학기술대학의 장간 쩡 교수와 광후이 청 교수가 이끌었다. 이 협력에는 상하이 자오퉁 대학의 칭둥 장 교수, 매사추세츠 공과대학의 프랭크 윌첵 교수, 그리고 다른 연구자들도 참여했다. 아무것도 무언가를 한다는 것을 증명하기에는 너무나 많은 저명한 이름들이다.

일상적인 언어에서 진공은 완전히 텅 빈 공간처럼 들릴 수 있다. 양자 물리학은 매우 다른 그림을 그린다. 양자 전기역학과 하이젠베르크 불확정성 원리에 따르면, 가장 낮은 에너지 상태조차도 완벽하게 정지해 있지 않다. 가상 입자들이 끊임없이 나타났다 사라지며, 항상 존재하는 양자 요동의 배경을 만들어낸다. 그러니 다음에 누군가 당신을 공허한 존재라고 부른다면, 칭찬에 감사하다고 말하라.

이러한 요동은 단지 이론적인 것이 아니다. 그 효과는 램 이동, 자발 방출, 카시미르 효과와 같은 잘 확립된 현상을 통해 관찰되어 왔다. 그래, 우주는 수십 년 동안 조용히 자랑을 해왔다.

몇 년 동안 쩡과 청이 이끄는 팀은 이러한 진공 요동이 응집 물질 시스템에 어떻게 영향을 미치는지 조사해 왔다. 이전 연구에서 연구자들은 자기장을 사용하여 카시미르 힘을 인력과 척력 사이에서 가역적으로 전환함으로써 진공 요동을 직접 조작할 수 있음을 보여주었다. 그 결과는 더 큰 질문을 제기했다: 양자 진공 요동이 거시적 양자 상태를 제어하는 데에도 사용될 수 있을까?

장의 그룹은 이론적 관점에서 같은 문제에 접근하여, 설계된 양자 진공 환경이 물질의 다양한 상태에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 연구했다. 연구자들은 특별히 설계된 진공 환경을 사용하여 전자 및 광자 행동을 제어하는 "진공전자학"이라는 개념을 도입했다. 그 이론적 작업은 새로운 실험에서 관찰된 초전도성 향상을 이해하기 위한 틀을 제공하는 데 도움이 되었다.

"자유 공간에서의 진공 요동은 일반적으로 거시적 응집 물질 시스템에서 관찰 가능한 효과를 생성하기에는 너무 약합니다,"라고 쩡 교수는 말했다. "이 한계를 극복하기 위해 우리는 테라헤르츠 스플릿링 공진기를 도입했습니다. 그러한 다크 캐비티는 전자기 환경을 재구성하고 진공 요동을 상당히 증폭시킬 수 있습니다."

실험적으로 이 아이디어를 테스트하기 위해, 연구자들은 초전도체 NbSe2를 테라헤르츠 다크 캐비티 안에 넣었다. 이것은 초전도 물질이 캐비티 내부의 특별히 설계된 전자기 환경과 상호작용하는 결합 시스템을 만들었다. 그런 다음 팀은 캐비티 내부와 외부에서 물질의 초전도 행동을 비교했다. 결과는 NbSe2를 캐비티에 넣으면 초전도 임계 온도, 즉 물질이 초전도 상태로 들어가는 온도가 크게 증가한다는 것을 보여주었다.

"우리는 6층 NbSe2 소자에서 임계 온도가 최대 5.4% 증가할 수 있으며, 초전도 전이 근처에서 임계 전류와 임계 자기장이 크게 향상된다는 것을 관찰했습니다,"라고 청 교수는 말했다. "이것은 진공 요동 강화 초전도성의 첫 실험적 관찰을 나타냅니다." 맞다: 본질적으로 우주의 배경 잡음으로부터 5.4% 향상.

연구자들은 이 효과가 물질에 대한 더 전통적인 변화로 설명될 수 있는지 확인하기 위해 일련의 통제 실험을 수행했다. 그들은 캐비티 기하학, 특성 주파수, 물질 두께, 유전체 물질, 금속 스트립을 포함한 설정의 여러 속성을 변화시켰다. 결과는