研究團隊利用量子真空波動首次提升超導性質

空間在一般情況下是靜默的。然而，在量子層面上，空虛卻充滿了不必要的噪音。現在，一組國際研究人員發現了一種利用這種嘈雜背景來增強超導性的辦法——超導性是一種材料無阻力地傳導電流的現象。在他們的新研究中，研究人員展示了經過精心設計的真空波動如何提高二硒化鈮 (NbSe₂) 的超導轉變温度。該研究的作者之一、中國科學院的教授程光輝表示：「這代表了真空波動增強超導性的首次實驗觀察。」

因此，這項實驗暗示空間本身可能成為操控量子物質的新工具，類似於其他推動超導材料極限的努力。

量子真空波動的應用

將量子真空轉化為控制旋鈕的挑戰在於，真空波動通常過於微弱，無法顯著影響宏觀材料的集體行為。量子力學意味著即使是最低能量狀態也會在其場中保留不可避免的波動。蘭姆位移和卡西米爾效應等現象已經證明這些波動在物理上是真實存在的。研究人員詢問這些波動是否可以進行放大，並用於控制超導性。他們的解決方案是一種太赫茲分環共振器，這是一種約束和重塑電磁場的結構。研究人員將六層的 NbSe₂ 裝置放置在這個所謂的暗腔內，創建了一個系統，使材料的電子行為能夠與腔體的波動電磁模式互動。

他們隨後比較了 NbSe₂ 在腔內和腔外的超導行為，結果驚人。程光輝表示：「我們觀察到，在六層的 NbSe₂ 裝置中，臨界温度可以提高多達 5.4%，同時臨界電流和臨界磁場在超導轉變附近顯著增強。」 該團隊不僅僅停留在觀察這一效應上。他們系統性地改變了腔體的幾何形狀和特徵頻率，以及 NbSe₂ 的厚度、介電材料和金屬條。這些測試有助於排除一些更為普通的解釋，例如機械應變、材料劣化、不均勻樣品和金屬的電磁屏蔽。

對於不尋常的超導材料的類似研究顯示，超導性對其物理環境的變化反應得相當強烈。當腔體開始與超導體進行互動時，一個線索顯得特別重要。增強並不均勻地分佈於頻率上，而是產生了一個共振的峯值響應，與腔體的特徵頻率相關。這表明腔體並不僅僅是改變材料周圍的環境，它還主動與超導狀態耦合。

理論研究進一步解釋了發生的情況。研究人員提出，腔體的波動電磁場通過虛擬光子與超導狀態進行互動。在他們的模型中，這種互動可以降低超導狀態的能量，使超導性更具優勢。當腔體的特徵能量與低能量超導波動的能量尺度匹配時，效應最強，並產生實驗中觀察到的共振峯。這一發現建立在團隊之前的工作基礎上，他們展示了通過使用磁場可逆地將卡西米爾力從吸引轉為排斥來直接控制真空波動。

背景成為主角的意義

這項新實驗更進一步。麻省理工學院的理論物理學家、研究的共同作者 Frank Wilczek 指出：「在大多數實際物理中，真空僅用作現象發生的被動舞台。這項工作顯示背景本身可以成為主角——被設計以增強超導性並重塑量子物質的行為。」 這一發現並不意味著超導體現在可以在日常温度下運行。所報告的增強是適度的，且實驗是在經過精心設計的腔體條件下對 NbSe₂ 進行的。

研究人員需要確定該效應的工作範圍，以及是否可以通過不同的材料或腔體設計實現更強的增強。然而，這一原則可能具有重要價值。與依賴於施加外部電或磁驅動的傳統方法不同，腔體方法可以在不直接驅動材料的情況下影響材料。這種對量子系統的非接觸控制最終可能與超導量子技術有關，儘管在這一實驗室效應能夠轉化為實際設備之前，仍需進行大量工作。這項研究發表在《自然》雜誌上。

量子控制技術的潛力

這項研究揭示了量子真空波動在超導性質增強中的潛力，顯示背景環境不再是被動角色，而是可以主動影響材料行為。這一發現不僅為超導材料的研究提供新思路，還可能改變我們對量子系統的控制方式。相較於傳統方法，這種非接觸式的控制策略可能在未來的超導量子技術中發揮關鍵作用，推動相關技術的發展。