W odkryciu, które brzmi jak żart fizyczny bez puenty, badacze po raz pierwszy wykazali, że fluktuacje kwantowe w próżni mogą wzmacniać nadprzewodnictwo, otwierając nową ścieżkę do kontrolowania nietypowych stanów materii. Tak, pusta próżnia wreszcie bierze się do roboty.

Badanie, opublikowane w Nature, zostało przeprowadzone pod kierownictwem prof. Changgana Zenga i prof. Guanghuia Chenga z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin Chińskiej Akademii Nauk. W współpracę zaangażowani byli także prof. Qingdong Jiang z Uniwersytetu Jiao Tong w Szanghaju, prof. Frank Wilczek z Massachusetts Institute of Technology oraz inni badacze. To sporo znakomitych nazwisk, by udowodnić, że nic jednak coś robi.

W codziennym języku próżnia może brzmieć jak całkowicie pusta przestrzeń. Fizyka kwantowa maluje zupełnie inny obraz. Zgodnie z elektrodynamiką kwantową i zasadą nieoznaczoności Heisenberga, nawet najniższy stan energetyczny nigdy nie jest doskonale nieruchomy. Wirtualne cząstki nieustannie pojawiają się i znikają, tworząc wszechobecne tło fluktuacji kwantowych. Więc następnym razem, gdy ktoś nazwie cię pustą obecnością, podziękuj mu za komplement.

Te fluktuacje nie są jedynie teoretyczne. Ich efekty zaobserwowano poprzez dobrze ugruntowane zjawiska, takie jak przesunięcie Lamba, emisja spontaniczna i efekt Casimira. Więc tak, wszechświat od dziesięcioleci cicho się popisuje.

Od kilku lat zespoły kierowane przez Zenga i Chenga badały, jak te fluktuacje próżni wpływają na układy materii skondensowanej. We wcześniejszym badaniu naukowcy pokazali, że mogą bezpośrednio manipulować fluktuacjami próżni, używając pola magnetycznego do odwracalnego przełączania siły Casimira między przyciąganiem a odpychaniem. Ten wynik postawił większe pytanie: Czy kwantowe fluktuacje próżni można również wykorzystać do kontrolowania makroskopowych stanów kwantowych?

Grupa Jianga podeszła do tego samego problemu z perspektywy teoretycznej, badając, jak zaprojektowane kwantowe środowiska próżniowe mogą wpływać na różne stany materii. Badacze wprowadzili koncepcję „próżniotroniki”, w której specjalnie zaprojektowane środowiska próżniowe są używane do kontrolowania zachowań elektronowych i fotonicznych. Ta praca teoretyczna pomogła zapewnić ramy do zrozumienia wzmocnienia nadprzewodnictwa zaobserwowanego w nowych eksperymentach.

„Fluktuacje próżni w wolnej przestrzeni są zazwyczaj zbyt słabe, aby wywołać obserwowalne efekty w makroskopowych układach materii skondensowanej” – powiedział prof. Zeng. „Aby przezwyciężyć to ograniczenie, wprowadziliśmy rezonator z rozdzielonym pierścieniem terahercowym. Taka ciemna wnęka może przekształcić środowisko elektromagnetyczne i znacznie wzmocnić fluktuacje próżni.”

Aby przetestować ten pomysł eksperymentalnie, badacze umieścili nadprzewodnik NbSe2 wewnątrz terahercowej ciemnej wnęki. Stworzyło to sprzężony układ, w którym materiał nadprzewodzący oddziaływał ze specjalnie zaprojektowanym środowiskiem elektromagnetycznym wewnątrz wnęki. Następnie zespół porównał zachowanie nadprzewodzące materiału wewnątrz i na zewnątrz wnęki. Wyniki pokazały, że umieszczenie NbSe2 we wnęce znacznie zwiększyło jego krytyczną temperaturę nadprzewodzenia, temperaturę, poniżej której materiał wchodzi w stan nadprzewodzący.

„Zaobserwowaliśmy, że krytyczna temperatura może wzrosnąć nawet o 5,4% w urządzeniu z sześciowarstwowym NbSe2, podczas gdy krytyczny prąd i krytyczne pole magnetyczne są znacznie wzmocnione w pobliżu przejścia nadprzewodzącego” – powiedział prof. Cheng. „To pierwsza eksperymentalna obserwacja nadprzewodnictwa wzmocnionego fluktuacjami próżni.” Zgadza się: wzrost o 5,4% od czegoś, co jest zasadniczo szumem tła wszechświata.

Badacze przeprowadzili serię eksperymentów kontrolnych, aby ustalić, czy efekt można wyjaśnić bardziej konwencjonalnymi zmianami w materiale. Zmieniali kilka właściwości układu, w tym geometrię wnęki, charakterystyczną częstotliwość, grubości materiałów, materiały dielektryczne i paski metalowe. Wyniki a