|
Сверхпроводимость, усиленная вакуумными флуктуациями
|
|
|
|
В исследовании, опубликованном в журнале Nature 19 августа, исследовательская группа впервые продемонстрировала усиление сверхпроводимости за счет вакуумных флуктуаций. Это достижение знаменует собой значительный прогресс в управлении квантовыми состояниями материи.
|
|
|
|
Пространство, свободное от материи, не является по-настоящему пустым. Вакуум — это не пустота. В квантовой электродинамике принцип неопределенности Гейзенберга подразумевает, что даже в основном состоянии существует неприводимая активность, с непрерывным созданием и аннигиляцией виртуальных частиц.
|
|
|
|
Таким образом, вакуум содержит динамическое «море» квантовых флуктуаций. Несколько известных явлений, включая лэмбовский сдвиг, спонтанное излучение и эффект Казимира, предоставляют убедительные экспериментальные доказательства их существования.
|
|
|
|
От управления Казимиром до сверхпроводников
|
|
|
|
Исследование проводилось под руководством профессоров Цзэн Чангана и Чэн Гуанхуэя из Китайского университета науки и технологий Китайской академии наук, а также с участием профессора Цзян Циндуна из Шанхайского университета Цзяотун, профессора Фрэнка Вильчека из Массачусетского технологического института и других сотрудников.
|
|
|
|
|
|
|
В последние годы команда Цзэна и Чэна сосредоточилась на эффектах вакуумных флуктуаций в системах конденсированного состояния. В более раннем исследовании команда добилась прямого контроля над вакуумными флуктуациями: обратимого перехода силы Казимира от притяжения к отталкиванию под действием магнитного поля. Это исследование породило дальнейший вопрос: можно ли использовать вакуумные флуктуации для управления макроскопическими квантовыми состояниями?
|
|
|
|
Помимо этих экспериментальных работ, команда Цзяна провела теоретические исследования квантового вакуумного управления состояниями материи. Команда предложила концепцию «вакуумроники», в которой искусственно созданная вакуумная среда регулирует электронное и фотонное поведение, тем самым заложив теоретическую основу для интерпретации механизма сверхпроводимости, усиленной вакуумом, описанного в этом исследовании.
|
|
|
|
Резонатор, усиливающий флуктуации
|
|
|
|
«Вакуумные флуктуации в свободном пространстве, как правило, слишком слабы, чтобы вызывать наблюдаемые эффекты в макроскопических системах конденсированного состояния», — сказал Цзэн. «Чтобы преодолеть это ограничение, мы ввели терагерцовый щелевой кольцевой резонатор. Такой темный резонатор может изменять электромагнитную среду и существенно усиливать вакуумные флуктуации».
|
|
|
|
В этом исследовании команда Цзэна и Чэна поместила сверхпроводник NbSe2 в терагерцовый темный резонатор, создав устройство, связанное со сверхпроводником и темным резонатором. Систематически сравнивая сверхпроводимость вне и внутри резонатора, команда обнаружила существенное увеличение критической температуры сверхпроводимости NbSe2.
|
|
|
|
«Мы обнаружили, что критическая температура может увеличиться до 5,4% в шестислойном устройстве на основе NbSe2, в то время как критический ток и критическое магнитное поле значительно усиливаются вблизи сверхпроводящего перехода», — сказал Ченг. «Это первое экспериментальное наблюдение сверхпроводимости, усиленной флуктуациями вакуума».
|
|
|
|
Доказательства указывают на резонансный эффект
|
|
|
|
Для выяснения происхождения усиления сверхпроводимости команда провела систематические контрольные эксперименты по множеству параметров, включая геометрию резонатора и характеристическую частоту, толщину материала, диэлектрические материалы и металлические полосы. Эти эксперименты эффективно исключили такие тривиальные факторы, как деформация, деградация материала, неоднородность и эффекты металлического экранирования.
|
|
|
|
Примечательно, что усиление сверхпроводимости демонстрировало резонансную пикообразную зависимость от характеристической частоты темного резонатора. «Этот результат, тесно связанный с фотонными свойствами резонатора, предоставляет убедительные экспериментальные доказательства связи между сверхпроводящим состоянием и модами темного резонатора», — сказал Цзэн.
|
|
|
|
Более того, команда Цзяна и Вильчек совместно разработали теоретическую модель и интерпретировали лежащий в её основе механизм. В рамках подхода Гинзбурга-Ландау они предположили, что сверхпроводящее состояние обменивается виртуальными фотонами с тёмной полостью, понижая энергию сверхпроводящего состояния и тем самым усиливая сверхпроводимость.
|
|
|
|
«Когда характерная энергия моды полости совпадает с низкоэнергетическими сверхпроводящими флуктуациями, устройство на основе NbSe2 демонстрирует резонансное усиление, создавая пик усиления сверхпроводимости», — сказал Цзян.
|
|
|
|
«В большинстве практических физических явлений вакуум служит лишь пассивной сценой, на которой разворачиваются явления. Эта работа показывает, что сама среда может стать действующим лицом — её можно модифицировать для усиления сверхпроводимости и изменения поведения квантовой материи», — сказал Вильчек.
|
|
|
|
В этом исследовании используются созданные с помощью резонаторов вакуумные флуктуации для неинвазивного усиления сверхпроводимости без внешнего воздействия. Такой подход предлагает бесконтактный механизм управления квантовыми состояниями материи. «Благодаря дальнейшей оптимизации структур резонаторов и материальных систем, связь вакуума с флуктуациями может обеспечить более выраженное и широко применимое управление квантовыми состояниями», — сказал Цзэн.
|
|
|
|
Источник
|
