Фізики посилили надпровідність, керуючи «порожнім» простором

16 вересня 2026 р. 21:37

16 вересня 2026 р. 21:37

Група фізиків із Китаю та США продемонструвала, що навіть «порожній» простір може стати активним інструментом для керування матеріалами. У новій роботі вони посилили надпровідність у тонкій плівці матеріалу NbSe2, штучно підсилюючи квантові флуктуації вакууму в спеціально спроєктованій порожнині. Про результати повідомляє видання SciTechDaily .

Квантовий вакуум як активне середовище

У квантовій електродинаміці навіть абсолютна порожнеча не є справді пустою: через принцип невизначеності Гейзенберга в ній постійно виникають і зникають віртуальні частинки. Ці квантові флуктуації заповнюють те, що класично виглядало б як порожній простір, і проявляються в низці добре відомих ефектів, зокрема зсуві Лемба, спонтанному випромінюванні та ефекті Казиміра.

Команди Чанґганя Цзена (Changgan Zeng) і Ґуаньхуея Чена (Guanghui Cheng) з Університету науки і технології Китаю вже кілька років досліджують, як ці флуктуації впливають на конденсовані середовища. У попередній роботі вони показали, що можна керувати силою Казиміра, перемикаючи її з притягання на відштовхування за допомогою магнітного поля.

Паралельно теоретична група Ціндун Цзяна (Qingdong Jiang) із Шанхайського університету Цзяо Тун розвивала концепцію «вакуумроніки» – підходу, за якого навмисно сформоване вакуумне оточення використовується для регулювання електронних і фотонних станів у матеріалах. Саме ця ідея лягла в основу пояснення нового явища вакуумно-посиленої надпровідності.

«Темна» терагерцова порожнина для посилення флуктуацій

За словами проф. Цзена, флуктуації вакууму у вільному просторі зазвичай занадто слабкі, щоб помітно впливати на макроскопічні конденсовані системи. Щоб подолати це обмеження, дослідники використали терагерцовий розщеплений кільцевий резонатор – так звану темну порожнину, здатну кардинально змінювати електромагнітне оточення й суттєво підсилювати квантові флуктуації.

У таку темну порожнину помістили надпровідник NbSe2, створивши з’єднаний пристрій «надпровідник – темна порожнина». Далі порівняли властивості тонкого шару NbSe2 усередині й поза порожниною.

Виявилося, що в резонаторі критична температура NbSe2 – тобто температура, нижче якої матеріал переходить у надпровідний стан, – відчутно зростає. У шестишаровому зразку підвищення досягло 5,4% , а також помітно зросли критичний струм і критичне магнітне поле поблизу переходу в надпровідний стан. Команда називає це першим експериментальним спостереженням надпровідності, посиленої флуктуаціями вакууму.

Резонанс як ключ до взаємодії з вакуумом

Щоб переконатися, що ефект не спричинений більш «приземленими» факторами, дослідники провели низку контрольних експериментів. Вони змінювали геометрію й резонансну частоту порожнини, товщину надпровідного шару, діелектричні прошарки та металеві елементи.

Такі перевірки дали змогу відкинути пояснення, пов’язані з механічними напруженнями, деградацією матеріалу, неоднорідністю структури чи екрануванням полів металом. Важливу підказку дала залежність посилення надпровідності від характерної частоти темної порожнини: вона мала виражений максимум.

Цей піковий характер, тісно пов’язаний із фотонними режимами порожнини, став сильною експериментальною ознакою того, що надпровідний стан безпосередньо зв’язаний із модами темної порожнини.

Теоретики під керівництвом Цзяна та Нобелівського лауреата Френка Вілчека (Frank Wilczek) побудували модель у рамках підходу Гінзбурга–Ландау. Вона описує обмін віртуальними фотонами між надпровідником і порожниною, що знижує енергію надпровідного стану й тим самим зміцнює його.

Коли енергія резонансного режиму порожнини збігалася з низькоенергетичними флуктуаціями надпровідного стану NbSe2, спостерігалося резонансне посилення, яке й давало максимум ефекту. Як підкреслює Вілчек, у більшості фізичних задач вакуум є лише пасивним «фоном», тоді як тут він стає активним гравцем, здатним перебудовувати поведінку квантової матерії.

Керування квантовими станами без зовнішнього збудження

Один із ключових результатів роботи полягає в тому, що посилення надпровідності досягли без безперервного зовнішнього збудження – лише за рахунок інженерії вакуумного середовища в порожнині. Це відкриває можливість неконтактного керування квантовими станами матеріалів.

Автори вважають, що подальша оптимізація структури порожнин і вибір інших матеріалів можуть зробити вакуумно-флуктуаційне керування більш вираженим і придатним для широкого кола квантових систем. Такий підхід потенційно може доповнити вже існуючі методи контролю надпровідників та інших квантових матеріалів і стати окремим інструментом у розробці майбутніх квантових технологій.

Наука