In een bevinding die klinkt als een natuurkundegrap zonder clou, hebben onderzoekers voor het eerst aangetoond dat kwantumfluctuaties in een vacuüm supergeleiding kunnen versterken, wat een nieuw pad opent voor het beheersen van ongebruikelijke materietoestanden. Ja, de lege leegte draagt nu haar steentje bij.

De studie, gepubliceerd in Nature, werd geleid door prof. Changgan Zeng en prof. Guanghui Cheng van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China van de Chinese Academie van Wetenschappen. De samenwerking omvatte ook prof. Qingdong Jiang van de Shanghai Jiao Tong Universiteit, prof. Frank Wilczek van het Massachusetts Institute of Technology en andere onderzoekers. Dat zijn nogal wat vooraanstaande namen om te bewijzen dat niets iets doet.

In alledaagse taal klinkt een vacuüm misschien als volledig lege ruimte. De kwantumfysica schetst een heel ander beeld. Volgens de kwantumelektrodynamica en het onzekerheidsprincipe van Heisenberg is zelfs de laagste energietoestand nooit volkomen stil. Virtuele deeltjes verschijnen en verdwijnen voortdurend, wat een altijd aanwezige achtergrond van kwantumfluctuaties oplevert. Dus de volgende keer dat iemand je een leegte noemt, bedank hem voor het compliment.

Deze fluctuaties zijn niet louter theoretisch. Hun effecten zijn waargenomen via gevestigde fenomenen zoals de Lamb-verschuiving, spontane emissie en het Casimir-effect. Dus ja, het universum pronkt al decennialang stilletjes.

Jarenlang hebben de teams onder leiding van Zeng en Cheng onderzocht hoe deze vacuümfluctuaties gecondenseerde materiesystemen beïnvloeden. In een eerdere studie toonden de onderzoekers aan dat ze vacuümfluctuaties direct konden manipuleren door een magnetisch veld te gebruiken om de Casimir-kracht omkeerbaar te schakelen tussen aantrekking en afstoting. Dat resultaat riep een grotere vraag op: kunnen kwantumvacuümfluctuaties ook worden gebruikt om macroscopische kwantumtoestanden te beheersen?

Jiangs groep benaderde hetzelfde probleem vanuit een theoretisch perspectief, waarbij ze bestudeerden hoe kunstmatige kwantumvacuümonderlingen verschillende materietoestanden kunnen beïnvloeden. De onderzoekers introduceerden het concept van 'vacuumronica', waarbij speciaal ontworpen vacuümonderlingen worden gebruikt om elektronisch en fotonisch gedrag te beheersen. Dat theoretische werk hielp een kader te bieden voor het begrijpen van de supergeleidingsversterking die in de nieuwe experimenten werd waargenomen.

'Vacuümfluctuaties in de vrije ruimte zijn over het algemeen te zwak om waarneembare effecten te produceren in macroscopische gecondenseerde-materiesystemen', zei prof. Zeng. 'Om deze beperking te overwinnen, introduceerden we een terahertz split-ring resonator. Zo'n donkere holte kan de elektromagnetische omgeving hervormen en vacuümfluctuaties aanzienlijk versterken.'

Om het idee experimenteel te testen, plaatsten de onderzoekers de supergeleider NbSe2 in een terahertz donkere holte. Dit creëerde een gekoppeld systeem waarin het supergeleidende materiaal in wisselwerking stond met de speciaal ontworpen elektromagnetische omgeving in de holte. Het team vergeleek vervolgens het supergeleidende gedrag van het materiaal binnen en buiten de holte. De resultaten toonden aan dat het plaatsen van NbSe2 in de holte de supergeleidende kritische temperatuur aanzienlijk verhoogde, de temperatuur waaronder het materiaal in zijn supergeleidende toestand overgaat.

'We zagen dat de kritische temperatuur met wel 5,4% kan stijgen in een zeslaags NbSe2-apparaat, terwijl de kritische stroom en het kritische magnetische veld aanzienlijk worden versterkt nabij de supergeleidende overgang', zei prof. Cheng. 'Dit is de eerste experimentele waarneming van supergeleiding versterkt door vacuümfluctuaties.' Dat klopt: een boost van 5,4% door wat in wezen de achtergrondruis van het universum is.

De onderzoekers voerden een reeks controle-experimenten uit om te bepalen of het effect kon worden verklaard door meer conventionele veranderingen aan het materiaal. Ze varieerden verschillende eigenschappen van de opstelling, waaronder de geometrie van de holte, de karakteristieke frequentie, materiaaldiktes, diëlektrische materialen en metalen strips. De resultaten