В открытии, которое звучит как физический анекдот без punchline, исследователи впервые продемонстрировали, что квантовые флуктуации вакуума могут усиливать сверхпроводимость, открывая новый путь к управлению необычными состояниями материи. Да, пустая пустота теперь тоже вносит свой вклад.

Исследование, опубликованное в Nature, возглавили профессора Чангань Цзэн и Гуанхуэй Чэн из Университета науки и технологий Китая Китайской академии наук. В коллаборацию также вошли профессор Циндун Цзян из Шанхайского университета Цзяо Тун, профессор Фрэнк Вильчек из Массачусетского технологического института и другие исследователи. Многовато выдающихся имён, чтобы доказать, что ничто кое-что делает.

В обыденном языке вакуум может звучать как совершенно пустое пространство. Квантовая физика рисует совсем другую картину. Согласно квантовой электродинамике и принципу неопределённости Гейзенберга, даже самое низкое энергетическое состояние никогда не бывает абсолютно неподвижным. Виртуальные частицы непрерывно появляются и исчезают, создавая вездесущий фон квантовых флуктуаций. Так что в следующий раз, когда кто-то назовёт вас пустым местом, поблагодарите его за комплимент.

Эти флуктуации не просто теоретические. Их эффекты наблюдались через хорошо известные явления, такие как лэмбовский сдвиг, спонтанное излучение и эффект Казимира. Так что да, Вселенная тихо красовалась перед нами десятилетиями.

В течение нескольких лет группы под руководством Цзэна и Чэна исследовали, как эти вакуумные флуктуации влияют на системы конденсированного состояния. В более раннем исследовании учёные показали, что могут напрямую манипулировать вакуумными флуктуациями, используя магнитное поле для обратимого переключения силы Казимира между притяжением и отталкиванием. Этот результат поднял более масштабный вопрос: можно ли квантовые вакуумные флуктуации также использовать для управления макроскопическими квантовыми состояниями?

Группа Цзяна подошла к той же проблеме с теоретической точки зрения, изучая, как искусственно созданные квантовые вакуумные среды могут влиять на различные состояния материи. Исследователи ввели понятие «вакуумтроники», в котором специально спроектированные вакуумные среды используются для управления электронным и фотонным поведением. Эта теоретическая работа помогла обеспечить основу для понимания усиления сверхпроводимости, наблюдаемого в новых экспериментах.

«Вакуумные флуктуации в свободном пространстве, как правило, слишком слабы, чтобы производить наблюдаемые эффекты в макроскопических системах конденсированного состояния, — сказал профессор Цзэн. — Чтобы преодолеть это ограничение, мы ввели терагерцевый резонатор с разрезными кольцами. Такая тёмная полость может изменить электромагнитную среду и существенно усилить вакуумные флуктуации».

Чтобы проверить идею экспериментально, исследователи поместили сверхпроводник NbSe2 внутрь терагерцевой тёмной полости. Это создало связанную систему, в которой сверхпроводящий материал взаимодействовал со специально спроектированной электромагнитной средой внутри полости. Затем команда сравнила сверхпроводящее поведение материала внутри и вне полости. Результаты показали, что помещение NbSe2 в полость значительно повысило его критическую температуру сверхпроводящего перехода — температуру, ниже которой материал переходит в сверхпроводящее состояние.

«Мы наблюдали, что критическая температура может увеличиться до 5,4% в шестислойном устройстве NbSe2, в то время как критический ток и критическое магнитное поле значительно возрастают вблизи сверхпроводящего перехода, — сказал профессор Чэн. — Это первое экспериментальное наблюдение сверхпроводимости, усиленной вакуумными флуктуациями». Всё верно: прирост на 5,4% от того, что по сути является фоновым шумом Вселенной.

Исследователи провели серию контрольных экспериментов, чтобы определить, можно ли объяснить эффект более традиционными изменениями материала. Они варьировали несколько свойств установки, включая геометрию полости, характеристическую частоту, толщину материалов, диэлектрические материалы и металлические полоски. Результаты