Международная группа исследователей впервые экспериментально показала, что квантовые флуктуации вакуума можно использовать для усиления сверхпроводимости. Ученые поместили сверхпроводник из диселенида ниобия (NbSe₂) в специальную резонансную полость и добились увеличения критической температуры на 5,4%, а также значительного роста критического тока и критического магнитного поля.
Вакуум на квантовом уровне не пуст — в нем постоянно происходят флуктуации электромагнитных полей. Обычно эти колебания слишком слабы, чтобы заметно влиять на макроскопические объекты, но исследователи нашли способ усилить их и использовать для управления квантовой материей. Они применили терагерцевый резонатор из разомкнутых колец — так называемую темную полость, которая ограничивает и преобразует электромагнитные поля. Внутрь поместили шестислойный образец NbSe₂, создав систему, где электронное поведение материала могло взаимодействовать с флуктуирующими модами полости.
Сравнение сверхпроводящих свойств NbSe₂ внутри и вне резонатора показало принципиальную разницу. Критическая температура внутри полости выросла на 5,4%, а критические ток и магнитное поле значительно усилились вблизи перехода в сверхпроводящее состояние. Ученые систематически меняли геометрию и частоту резонатора, толщину NbSe₂, диэлектрические материалы и металлические полоски, чтобы исключить альтернативные объяснения — механическое напряжение, деградацию материала, неоднородность образцов и электромагнитное экранирование.
Ключевым доказательством стал резонансный пик усиления на характерной частоте полости. Это показало, что полость не просто меняет среду вокруг материала, а активно связывается со сверхпроводящим состоянием через виртуальные фотоны. Теоретическая модель, разработанная участником исследования, нобелевским лауреатом Франком Вильчеком из MIT, описывает механизм: флуктуирующее поле полости взаимодействует со сверхпроводящим состоянием, понижая его энергию и делая сверхпроводимость более энергетически выгодной. Максимальный эффект достигается, когда энергия полости совпадает с энергетическим масштабом низкоэнергетических сверхпроводящих флуктуаций.
Работа развивает предыдущие исследования команды, в которых они научились переключать силу Казимира от притяжения к отталкиванию с помощью магнитного поля. Теперь ученые показали, что сам вакуум может стать активным инструментом управления квантовой материей. Вильчек подчеркнул, что в обычной физике вакуум служит лишь пассивной сценой, но эта работа демонстрирует, что фон может стать действующим лицом.
Открытие не означает, что сверхпроводники скоро заработают при комнатной температуре — усиление пока скромное и достигнуто в специально созданных условиях. Исследователям предстоит выяснить, насколько широко применим этот эффект и можно ли получить большее усиление с другими материалами или конструкциями полостей. Однако сам принцип бесконтактного управления квантовыми системами через вакуумные флуктуации может найти применение в сверхпроводящих квантовых технологиях, хотя до практических устройств еще далеко.
Читайте также: Секретная сделка ЦРУ спасла Стива Джобса от банкротства и вернула в Apple