Учёные только что сделали сверхпроводник сильнее, используя «пустое пространство»

Исследователи впервые экспериментально показали, что квантовые флуктуации вакуума могут усиливать сверхпроводимость. Поместив сверхпроводник NbSe2 в терагерцовый тёмный резонатор, они повысили его критическую температуру на величину до 5,4%, а также значительно увеличили критический ток и критическое магнитное поле вблизи сверхпроводящего перехода. Работа опубликована в Nature; её возглавили профессора Чанган Цзэн и Гуанхуэй Чэн из Университета науки и технологий Китая Китайской академии наук, а среди соавторов — профессор Циндун Цзян из Шанхайского университета Цзяо Тун и профессор Фрэнк Вильчек из Массачусетского технологического института.

В квантовой физике вакуум не является полностью пустым: согласно квантовой электродинамике и принципу неопределённости Гейзенберга, в нём постоянно появляются и исчезают виртуальные частицы, создавая квантовые флуктуации. Ранее команда уже манипулировала флуктуациями вакуума с помощью магнитного поля, обратимо переключая силу Казимира между притяжением и отталкиванием. В новой работе исследователи ввели понятие «вакуумтроники» и использовали терагерцовый split-ring резонатор — тёмную полость, которая изменяет электромагнитную среду и усиливает вакуумные флуктуации. Контрольные эксперименты с геометрией резонатора, частотой, толщиной материалов, диэлектриками и металлическими полосами позволили исключить деформацию, деградацию, неоднородность и металлическое экранирование. Усиление сверхпроводимости зависело от характеристической частоты резонатора и достигало резонансного пика на определённой частоте. Теоретическая модель на основе формализма Гинзбурга—Ландау предполагает, что сверхпроводящее состояние обменивается виртуальными фотонами с тёмной полостью, что понижает его энергию и стабилизирует сверхпроводимость.

Подход усиливает сверхпроводимость без прямого воздействия на материал внешним источником энергии: вместо этого исследователи изменяют окружающую вакуумную среду, предлагая бесконтактный способ влияния на квантовое состояние материи. Это может сделать инженерно управляемые вакуумные флуктуации новым механизмом контроля для сверхпроводников и других квантовых материалов. По словам профессора Цзэна, дальнейшая оптимизация структур резонаторов и материальных систем может позволить более выраженное и широко применимое управление квантовыми состояниями. Как отметил профессор Вильчек, работа показывает, что фон перестаёт быть пассивной сценой и сам может стать действующим лицом, усиливая сверхпроводимость и изменяя поведение квантовой материи.