Физики из Китая и США впервые экспериментально подтвердили, что квантовые флуктуации вакуума способны усиливать сверхпроводимость. Для этого они поместили тонкий сверхпроводящий материал в специально сконструированный резонатор. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Исследование возглавили Чангань Цзэн и Гуанхуэй Чэн из Университета науки и технологий Китая Китайской академии наук. В числе соавторов — Циндун Цзян из Шанхайского университета Цзяо Тун и Фрэнк Вильчек из Массачусетского технологического института. В квантовой электродинамике принцип неопределённости Гейзенберга допускает постоянное рождение и исчезновение виртуальных частиц даже в состоянии с минимальной энергией. Существование таких флуктуаций подтверждают лэмбовский сдвиг, спонтанное излучение и эффект Казимира.
Ранее группа Цзэна и Чэна уже управляла вакуумными флуктуациями, переключая силу Казимира с притяжения на отталкивание с помощью магнитного поля. Параллельно команда Цзяна теоретически изучала, как квантовый вакуум может влиять на состояния материи, предложив концепцию «вакуумтроники» (vacuumronics) — управления электронными и фотонными свойствами через специально созданную вакуумную среду. Эта теория стала основой для понимания нового эффекта.
«Вакуумные флуктуации в свободном пространстве обычно слишком слабы, чтобы давать наблюдаемый эффект в макроскопических конденсированных системах, — пояснил профессор Цзэн. — Чтобы преодолеть это ограничение, мы использовали терагерцовый резонатор с разрезными кольцами. Такая тёмная полость способна перестраивать электромагнитное окружение и существенно усиливать вакуумные флуктуации».
Поместив сверхпроводник NbSe2 внутрь терагерцовой тёмной полости, учёные создали связанное устройство «сверхпроводник — тёмная полость». Сравнение материала внутри и снаружи резонатора показало заметный рост критической температуры сверхпроводящего перехода. «Мы наблюдали увеличение критической температуры до 5,4% в шестислойном устройстве на основе NbSe2, а критический ток и критическое магнитное поле значительно возрастали вблизи перехода, — отметил профессор Чэн. — Это первое экспериментальное наблюдение сверхпроводимости, усиленной вакуумными флуктуациями».
Чтобы исключить более обычные объяснения, исследователи варьировали геометрию полости, её характерную частоту, толщину материала, диэлектрики и металлические полоски. Эти контрольные опыты отсеяли деформацию, деградацию материала, неоднородность и эффекты металлического экранирования. Ключевым свидетельством стала пиковая зависимость усиления сверхпроводимости от характерной частоты тёмной полости. «Этот результат, тесно связанный с фотонными свойствами резонатора, даёт сильное экспериментальное подтверждение связи сверхпроводящего состояния с модами тёмной полости», — сказал профессор Цзэн. Теоретическая модель в рамках Гинзбурга — Ландау, разработанная командой Цзяна и Вильчека, предполагает обмен виртуальными фотонами между сверхпроводником и полостью, что понижает энергию сверхпроводящего состояния и усиливает сверхпроводимость.
«Когда характерная энергия моды полости совпадала с низкоэнергетическими сверхпроводящими флуктуациями, устройство на NbSe2 демонстрировало резонансное усиление, давая пик в усилении сверхпроводимости, — сказал профессор Цзян. — В большинстве практических задач физики вакуум служит лишь пассивной сценой, на которой разыгрываются явления. Эта работа показывает, что сам фон может стать действующим лицом — управляемым так, чтобы усиливать сверхпроводимость и менять поведение квантовой материи», — добавил профессор Вильчек. По словам Цзэна, дальнейшая оптимизация структур полостей и материалов позволит сделать управление квантовыми состояниями через вакуумные флуктуации более выраженным и широко применимым.