محققان با استفاده از «فضای خالی» قدرت ابررسانایی را افزایش دادند

نمودار ابررسانایی تقویت‌شده توسط نوسانات خلاء. اعتبار: USTC

این مطالعه که در Nature منتشر شده است، توسط پروفسورهای چانگان زنگ و گوانگ‌هویی چنگ از دانشگاه علم و فناوری چین آکادمی علوم چین رهبری شد. این همکاری شامل پروفسور کینگ‌دونگ جیانگ از دانشگاه جیاو تانگ شانگهای، پروفسور فرانک ویلچک از موسسه فناوری ماساچوست و سایر محققان نیز بود.

فضای خالی واقعاً خالی نیست

به زبان روزمره، خلاء ممکن است مانند فضای کاملاً خالی به نظر برسد. فیزیک کوانتومی تصویر بسیار متفاوتی را ترسیم می‌کند.

طبق الکترودینامیک کوانتومی و اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، حتی پایین‌ترین حالت انرژی هرگز کاملاً ساکن نیست. ذرات مجازی به طور مداوم ظاهر و ناپدید می‌شوند و یک پس‌زمینه دائمی از نوسانات کوانتومی ایجاد می‌کنند.

این نوسانات صرفاً نظری نیستند. اثرات آنها از طریق پدیده‌های شناخته‌شده‌ای مانند شیفت لامب، انتشار خودبه‌خودی و اثر کاسیمیر مشاهده شده است.

تیم‌های به رهبری زنگ و چنگ چندین سال است که چگونگی تأثیر این نوسانات خلاء بر سیستم‌های ماده چگال را بررسی می‌کنند. در یک مطالعه قبلی، محققان نشان دادند که می‌توانند با استفاده از یک میدان مغناطیسی، نیروی کاسیمیر را به طور برگشت‌پذیری بین جاذبه و دافعه دستکاری کنند.

این نتیجه سوال بزرگ‌تری را مطرح کرد: آیا می‌توان از نوسانات خلاء کوانتومی برای کنترل حالات ماکروسکوپی کوانتومی نیز استفاده کرد؟

تبدیل خلاء به ابزار کنترل

گروه جیانگ از منظر نظری به همین مسئله نزدیک شده و مطالعه کرده است که چگونه محیط‌های خلاء کوانتومی مهندسی‌شده می‌توانند بر حالات مختلف ماده تأثیر بگذارند.

محققان مفهوم «خلاءترونیک» را معرفی کردند، که در آن محیط‌های خلاء مخصوصاً طراحی‌شده برای کنترل رفتار الکترونیکی و فوتونی استفاده می‌شوند. این کار نظری به ارائه چارچوبی برای درک افزایش ابررسانایی مشاهده‌شده در آزمایش‌های جدید کمک کرد.

پروفسور زنگ گفت: «نوسانات خلاء در فضای آزاد معمولاً خیلی ضعیف هستند که بتوانند اثرات قابل‌توجهی در سیستم‌های ماده چگال ماکروسکوپی ایجاد کنند. برای غلبه بر این محدودیت، ما یک رزوناتور حلقه‌ای شکاف‌دار تراهرتز معرفی کردیم. چنین حفره تاریکی می‌تواند شکل محیط الکترومغناطیسی را تغییر دهد و نوسانات خلاء را به طور قابل‌توجهی تقویت کند.»

برای آزمایش این ایده به صورت تجربی، محققان ابررسانای NbSe2 را در یک حفره تاریک تراهرتز قرار دادند. این یک سیستم جفت‌شده ایجاد کرد که در آن ماده ابررسانا با محیط الکترومغناطیسی مهندسی‌شده در داخل حفره تعامل داشت.

سپس تیم رفتار ابررسانای ماده را در داخل و خارج حفره مقایسه کرد. نتایج نشان داد که قرار دادن NbSe2 در حفره به طور قابل‌توجهی دمای بحرانی ابررسانایی آن را افزایش می‌دهد، دمایی که زیر آن ماده وارد حالت ابررسانایی خود می‌شود.

ابررسانایی قوی‌تر می‌شود

پروفسور چنگ گفت: «ما مشاهده کردیم که دمای بحرانی می‌تواند تا 5.4 درصد در یک دستگاه NbSe2 لایه‌ای افزایش یابد، در حالی که جریان بحرانی و میدان مغناطیسی بحرانی به طور قابل‌توجهی در نزدیکی انتقال ابررسانایی افزایش می‌یابد. این اولین مشاهده تجربی ابررسانایی تقویت‌شده توسط نوسانات خلاء است.»

محققان مجموعه‌ای از آزمایش‌های کنترلی را برای تعیین اینکه آیا می‌توان اثر را با تغییرات معمولی در ماده توضیح داد یا خیر، انجام دادند.

آنها چندین ویژگی تنظیم را از جمله هندسه حفره، فرکانس مشخصه، ضخامت مواد، مواد دی‌الکتریک و نوارهای فلزی تغییر دادند. نتایج به آنها اجازه داد تا توضیحات مربوط به کرنش، تخریب ماده، ناهمگنی و اثرات محافظت فلزی را رد کنند.

یکی از قوی‌ترین سرنخ‌ها از رابطه بین افزایش ابررسانایی و فرکانس مشخصه حفره تاریک به دست آمد. به جای تغییر به آرامی، افزایش یک پیک رزونانس‌مانند را در یک فرکانس خاص نشان داد.

پروفسور زنگ گفت: «این نتیجه، که به طور تنگاتنگی با خواص فوتونی حفره مرتبط است، شواهد تجربی قوی از جفت‌شدن بین حالت ابررسانا و حالت‌های حفره تاریک ارائه می‌دهد.»

فوتون‌های مجازی ممکن است این اثر را توضیح دهند

برای توضیح آنچه اتفاق می‌افتد، تیم جیانگ و ویلچک یک مدل نظری بر اساس چارچوب گینزبرگ-لاندائو توسعه دادند.

تفسیر آنها نشان می‌دهد که حالت ابررسانا فوتون‌های مجازی را با حفره تاریک مبادله می‌کند. این تعامل انرژی حالت ابررسانا را کاهش می‌دهد و ابررسانایی را پایدارتر و به طور موثر قوی‌تر می‌کند.

پروفسور جیانگ گفت: «هنگامی که انرژی مشخصه حالت حفره با نوسانات کم‌انرژی ابررسانا مطابقت داشت، دستگاه NbSe2 افزایش رزونانس را نشان داد و باعث ایجاد پیک در افزایش ابررسانایی شد.»

این نتیجه طرز فکر معمول فیزیکدانان را در مورد خلاء تغییر می‌دهد. به جای اینکه صرفاً به عنوان یک پس‌زمینه خالی عمل کند، خلاء کوانتومی می‌تواند به طور بالقوه مهندسی شود تا بر رفتار ماده تأثیر بگذارد.

پروفسور ویلچک گفت: «در فیزیک عملی بیشتر، خلاء صرفاً صحنه منفعل است که پدیده‌ها روی آن به نمایش در می‌آیند. این کار نشان می‌دهد که پس‌زمینه خود می‌تواند به یک بازیگر تبدیل شود - مهندسی‌شده برای تقویت ابررسانایی و تغییر شکل رفتار ماده کوانتومی.»

راه جدیدی برای کنترل ماده کوانتومی

این رویکرد ابررسانایی را بدون هدایت مستقیم ماده با یک منبع انرژی خارجی تقویت می‌کند. در عوض، محققان شکل محیط خلاء اطراف را تغییر می‌دهند و روشی غیرتماسی برای تأثیرگذاری بر یک حالت کوانتومی ماده ارائه می‌دهند.

این می‌تواند در نهایت نوسانات خلاء مهندسی‌شده را به یک مکانیسم کنترل جدید مفید برای ابررساناها و سایر مواد کوانتومی تبدیل کند.

پروفسور زنگ گفت: «با بهینه‌سازی بیشتر ساختارهای حفره و سیستم‌های مواد، جفت‌شدن نوسانات خلاء ممکن است کنترل برجسته‌تر و کاربردی‌تری از حالات کوانتومی را امکان‌پذیر سازد.»