Аннотация:
Исследователи из Университета науки и технологий Китая, Китайской академии наук, Шанхайского университета Цзяо Тонг, Массачусетского технологического института и других учреждений добились нового прогресса в исследованиях сверхпроводимости. Они использовали специально разработанную терагерцовую «темную полость» для искусственного усиления первоначально чрезвычайно слабых квантовых флуктуаций вакуума и впервые экспериментально наблюдали, что эти вакуумные флуктуации могут усиливать сверхпроводящие свойства. Результаты исследований показывают, что при определенных условиях сверхпроводящая критическая температура устройства из шестислойного диселенида ниобия (NbSe₂) может быть увеличена до 5,4%, при этом критический ток и критическое магнитное поле также значительно улучшаются.
Это исследование было проведено командой Цзэн Чангана и Чэн Гуанхуи из Университета науки и технологий Китая и командой Цзян Циндуна из Шанхайского университета Цзяо Тонг. В исследовании также приняли участие такие исследователи, как Фрэнк Вильчек, физик из Массачусетского технологического института и лауреат Нобелевской премии по физике. Соответствующая статья опубликована в журнале «Природа».
В концепции классической физики вакуумом обычно считают пространство без материи, однако квантовая механика даёт совершенно иной ответ. Согласно квантовой электродинамике и принципу неопределенности Гейзенберга, даже в самом низкоэнергетическом состоянии в пространстве все еще существуют квантовые флуктуации, которые невозможно полностью устранить. Виртуальные частицы будут продолжать создаваться и уничтожаться, так что так называемое «ничто» на самом деле всегда находится в состоянии микроскопической активности.
Квантовые флуктуации вакуума не являются чисто теоретической концепцией. Его существование было подтверждено экспериментальными явлениями, такими как сдвиг Лэмба, спонтанное излучение и эффект Казимира. Однако в обычных условиях влияние вакуумных флуктуаций обычно очень слабое, и непосредственно воздействовать на конденсированное вещество на макромасштабе затруднительно.
Исследовательская группа ранее изучала, как контролировать эти колебания квантового вакуума. Команда Цзэн Чангана и Чэн Гуанхуи ранее использовала магнитные поля для обратимой регулировки силы Казимира, позволяя ей переключаться между силами притяжения и отталкивания. Эта работа еще больше поднимает вопрос: если вакуумными флуктуациями можно активно манипулировать, можно ли использовать этот, казалось бы, слабый квантовый эффект для управления макроскопическими квантовыми состояниями?
В то же время команда Цзян Циндуна изучила, как квантовый вакуум влияет на состояние материи с теоретической точки зрения, и предложила концепцию «вакуумроники», которая заключается в регулировании поведения электронов и фотонов путем искусственного создания вакуумной среды. Этот сверхпроводящий эксперимент обеспечивает новую экспериментальную основу для этой теоретической идеи.
Исследователи отмечают, что флуктуации вакуума в обычном свободном пространстве обычно слишком слабы, чтобы оказывать существенное влияние на макроскопические конденсированные системы. Для решения этой проблемы они разработали терагерцовый расщепленный кольцевой резонатор, так называемый «темный резонатор». Эта специальная полость может изменять окружающую электромагнитную среду и значительно усиливать колебания вакуума.
Затем исследователи поместили сверхпроводящий материал NbSe₂ внутрь терагерцовой темной полости, сконструировали устройство, соединяющее сверхпроводник с темной полостью, и сравнили его с аналогичными материалами вне полости. Результаты экспериментов показывают, что после входа в темную полость критическая температура сверхпроводимости NbSe₂ значительно возрастает. В шестислойном устройстве NbSe₂ критическая температура увеличилась до 5,4%. В то же время критический ток и критическое магнитное поле также значительно возрастают вблизи сверхпроводящего перехода.
Критическая температура сверхпроводимости является важным показателем для оценки характеристик сверхпроводящих материалов. Только когда температура материала падает ниже этого критического значения, он может перейти в сверхпроводящее состояние. Увеличение критической температуры означает, что материал может оставаться сверхпроводящим при более высокой температуре, а увеличение критического тока и критического магнитного поля означает, что сверхпроводящее состояние может выдерживать большие токи и магнитные поля.
Чтобы подтвердить, что это усиление не было вызвано другими обычными физическими факторами, исследователи провели большое количество контролируемых экспериментов. Они систематически изменяли геометрию и характеристическую частоту темной полости, изменяя при этом такие параметры, как толщина материала, диэлектрический материал и структура металлической полосы. Экспериментальные результаты исключают такие факторы, как деформация, деградация материала, неоднородность материала и металлическое экранирование, как основные причины.
Наиболее важным доказательством являются изменения характерной частоты темной полости. Когда исследователи изменили характерную частоту темной полости, эффект усиления сверхпроводимости не просто изменился с частотой, а показал очевидный пик. Когда характерная частота резонатора достигает определенного диапазона, сверхпроводящие характеристики максимально улучшаются.
Исследователи полагают, что такое пиковое поведение, тесно связанное с оптическими свойствами резонатора, является важной экспериментальной основой для связи между сверхпроводящим состоянием и модой темного резонатора. Другими словами, результаты исследования не просто показывают, что «помещение сверхпроводящего материала в специальную полость сделает его более прочным», но показывают, что существует взаимодействие с резонансными характеристиками между сверхпроводящим состоянием и конкретными электромагнитными модами в полости.
Для дальнейшего объяснения экспериментального явления команда Цзян Циндуна, Вильчека и других разработала теоретическую модель. Они использовали теоретическую основу Гинзбурга-Ландау, чтобы предположить, что сверхпроводящее состояние может взаимодействовать с темной полостью через виртуальные фотоны. Это взаимодействие может уменьшить энергию сверхпроводящего состояния, тем самым делая сверхпроводящее состояние более стабильным и, в конечном итоге, улучшая сверхпроводящие свойства.
Когда характерная энергия моды темной полости совпадает с низкоэнергетическими флуктуациями в сверхпроводящей системе, связь между ними достигает резонансного состояния, поэтому в эксперименте появляется пик эффекта усиления сверхпроводимости.
Самое особенное в этом исследовании то, что исследователи не увеличили сверхпроводимость за счет внешнего воздействия в традиционном смысле, а добились контроля за счет изменения квантово-вакуумной среды, в которой находится материал. Другими словами, вакуум сам по себе больше не является просто пассивным фоном, в котором происходят физические явления, но может стать активным инструментом воздействия на квантовое состояние материи через тщательно спроектированные полости.
Исследователи заявили, что этот метод обеспечивает новый способ бесконтактного управления квантовыми материалами. Вместо того, чтобы напрямую применять внешние электрические поля, магнитные поля или другие методы воздействия, исследователи в основном изменяют электромагнитную вакуумную среду вокруг материала, проектируя структуру полости, тем самым влияя на сверхпроводящее состояние.
Если структура темной полости и используемая система материалов могут быть дополнительно оптимизированы в будущем, связь между вакуумными флуктуациями и квантовыми материалами может быть еще больше усилена и, как ожидается, будет распространена на большее количество типов квантовых состояний и квантовых материалов.
Это исследование также означает, что то, как люди используют «вакуум», может измениться. В прошлом вакуум рассматривался скорее как среда, необходимая для устранения помех в экспериментах, но развитие квантовой физики доказало, что вакуум на самом деле не является «ничто». Этот эксперимент также показывает, что путем искусственного создания вакуумной среды изначально слабые квантовые флуктуации можно даже превратить в инструмент регулирования макроскопических квантовых материалов, открывая новое направление исследований для будущих сверхпроводящих технологий и исследований квантовых материалов.
Комментарии