I ett fynd som låter som ett fysikskämt utan punchline har forskare för första gången visat att kvantfluktuationer i ett vakuum kan förstärka supraledning, vilket öppnar en ny väg för att kontrollera ovanliga materiatillstånd. Ja, det tomma intet drar nu sitt strå till stacken.

Studien, som publicerats i Nature, leddes av professorerna Changgan Zeng och Guanghui Cheng vid University of Science and Technology of China vid Kinesiska vetenskapsakademin. Samarbetet omfattade också professor Qingdong Jiang vid Shanghai Jiao Tong University, professor Frank Wilczek vid Massachusetts Institute of Technology och andra forskare. Det är en hel del framstående namn för att bevisa att ingenting gör någonting.

I vardagligt tal kan ett vakuum låta som helt tomt utrymme. Kvantfysiken målar upp en helt annan bild. Enligt kvantelektrodynamiken och Heisenbergs osäkerhetsprincip är inte ens det lägsta energitillståndet någonsin helt stilla. Virtuella partiklar uppstår och försvinner kontinuerligt och producerar en ständigt närvarande bakgrund av kvantfluktuationer. Så nästa gång någon kallar dig en tom närvaro, tacka dem för komplimangen.

Dessa fluktuationer är inte bara teoretiska. Deras effekter har observerats genom väletablerade fenomen som Lambskiftet, spontan emission och Casimireffekten. Så ja, universum har tyst visat upp sig i decennier.

I flera år har grupperna ledda av Zeng och Cheng undersökt hur dessa vakuumfluktuationer påverkar kondenserade materiasystem. I en tidigare studie visade forskarna att de direkt kunde manipulera vakuumfluktuationer genom att använda ett magnetfält för att reversibelt växla Casimirkraften mellan attraktion och repulsion. Det resultatet väckte en större fråga: Kan kvantvakuumfluktuationer också användas för att kontrollera makroskopiska kvanttillstånd?

Jiangs grupp har närmat sig samma problem från ett teoretiskt perspektiv och studerat hur konstruerade kvantvakuummiljöer kan påverka olika materiatillstånd. Forskarna introducerade begreppet "vakuumtronik", där specialdesignade vakuummiljöer används för att kontrollera elektroniskt och fotoniskt beteende. Det teoretiska arbetet hjälpte till att ge ett ramverk för att förstå den supraledningsförstärkning som observerades i de nya experimenten.

"Vakuumfluktuationer i fritt utrymme är i allmänhet för svaga för att ge observerbara effekter i makroskopiska kondenserade materiasystem", säger professor Zeng. "För att övervinna denna begränsning introducerade vi en terahertz split-ring-resonator. En sådan mörk kavitet kan omforma den elektromagnetiska miljön och avsevärt förstärka vakuumfluktuationer."

För att testa idén experimentellt placerade forskarna supraledaren NbSe2 inuti en terahertz mörk kavitet. Detta skapade ett kopplat system där det supraledande materialet interagerade med den specialkonstruerade elektromagnetiska miljön inuti kaviteten. Teamet jämförde sedan materialets supraledande beteende inuti och utanför kaviteten. Resultaten visade att placeringen av NbSe2 i kaviteten signifikant ökade dess supraledande kritiska temperatur, temperaturen under vilken materialet övergår i sitt supraledande tillstånd.

"Vi observerade att den kritiska temperaturen kan öka med upp till 5,4 % i en NbSe2-enhet med sex lager, medan den kritiska strömmen och det kritiska magnetfältet förstärks avsevärt nära den supraledande övergången", säger professor Cheng. "Detta representerar den första experimentella observationen av vakuumfluktuationsförstärkt supraledning." Just det: en förstärkning på 5,4 % från vad som i grunden är universums bakgrundsbrus.

Forskarna genomförde en serie kontrollexperiment för att avgöra om effekten kunde förklaras av mer konventionella förändringar i materialet. De varierade flera egenskaper i uppställningen, inklusive kavitetens geometri, karakteristiska frekvens, materialtjocklekar, dielektriska material och metallremsor. Resultaten a