Квантовые флуктуации вакуума способны усиливать сверхпроводимость, показали исследователи. Эксперимент стал первым подтверждением того, что свойства сверхпроводящего состояния можно менять с помощью специально сформированной электромагнитной среды. Работа опубликована в журнале Nature, сообщает ScienceDaily.
В исследовании участвовали специалисты Университета науки и технологий Китая Китайской академии наук под руководством профессоров Чангана Цэна и Гуанхуэя Чэна. К работе также присоединились профессор Шанхайского университета Цзяо Тун Циндун Цзян, профессор Массачусетского технологического института Фрэнк Вильчек и другие учёные. Их интерес был связан с тем, можно ли использовать квантовые колебания вакуума для управления макроскопическими квантовыми состояниями.
В квантовой физике вакуум не считается полностью пустым пространством. Даже его состояние с наименьшей энергией сопровождается постоянными флуктуациями, при которых виртуальные частицы возникают и исчезают. Наблюдаемыми проявлениями этих процессов считаются, в частности, лэмбовский сдвиг, спонтанное излучение и эффект Казимира.
Ранее группы Цэна и Чэна уже изучали воздействие вакуумных флуктуаций на конденсированные среды. В одной из предыдущих работ им удалось с помощью магнитного поля обратимо переключать силу Казимира между притяжением и отталкиванием. Теоретические исследования группы Цзяна привели к концепции «вакуумной электроники» — созданию особых вакуумных условий для управления электронными и фотонными свойствами вещества.
Для усиления слабого воздействия свободного вакуума учёные поместили сверхпроводник NbSe2 в терагерцевый резонатор с разрезным кольцом. Такая «тёмная» полость меняет электромагнитное окружение и увеличивает амплитуду вакуумных флуктуаций. Сравнение образцов внутри резонатора и вне его показало, что у шестислойного NbSe2 критическая температура выросла максимум на 5,4%, а критические ток и магнитное поле заметно увеличились вблизи перехода в сверхпроводящее состояние.
Серия контрольных экспериментов включала изменение геометрии резонатора, его характерной частоты, толщины материалов, диэлектриков и металлических полос. Это позволило исключить влияние механических напряжений, разрушения материала, неоднородности и экранирования металлом. Усиление имело резонансный максимум на определённой частоте, что связало эффект с фотонными свойствами полости и взаимодействием сверхпроводящего состояния с её модами.
Теоретическая модель, разработанная группой Цзяна и Фрэнком Вильчеком на основе подхода Гинзбурга—Ландау, объясняет результат обменом виртуальными фотонами между сверхпроводником и резонатором. Такое взаимодействие снижает энергию сверхпроводящего состояния и делает его более устойчивым, особенно когда энергия моды полости совпадает с низкоэнергетическими флуктуациями сверхпроводника. По словам исследователей, дальнейшая оптимизация резонаторов и материалов может усилить этот эффект и расширить возможности управления квантовыми состояниями без прямой подачи энергии на вещество.