Tyhjiöfluktuaatio tehostaa suprajohtavuutta

Kiinan tiede- ja teknologiayliopiston professorien Changgan Zengin ja Guanghui Chengin johtamat tutkijat yhdessä Shanghain Jiao Tong -yliopiston professori Qingdong Jiangin, MIT:n professori Frank Wilczekin ja muiden yhteistyökumppaneiden kanssa ovat ensimmäistä kertaa osoittaneet, että tyhjiöfluktuaatiot voivat parantaa suprajohtavuutta, mikä on merkittävä edistysaskel aineen kvanttitilojen hallinnassa.

Aineesta vapaa avaruus ei ole aidosti tyhjä. Tyhjiö ei ole tyhjiö. Kvanttisähködynamiikassa Heisenbergin epätarkkuusperiaate viittaa siihen, että jopa perustilassa on pelkistymätöntä aktiivisuutta, jossa virtuaalisia hiukkasia syntyy ja tuhoutuu jatkuvasti. Siten tyhjiö sisältää dynaamisen kvanttifluktuaatioiden "meren". Useat tunnetut ilmiöt, kuten Lamb-siirtymä, spontaani emissio ja Casimirin efekti, tarjoavat vakuuttavia kokeellisia todisteita niiden olemassaolosta.

Viime vuosina professorien Zengin ja Chengin muodostama tiimi on keskittynyt tyhjiöfluktuaatioiden vaikutuksiin tiiviin aineen järjestelmissä. Aiemmassa tutkimuksessa tiimi saavutti tyhjiöfluktuaatioiden suoran hallinnan Casimirin voiman palautuvalla siirtymällä vetovoimasta hylkimiseen magneettikentän vaikutuksesta, mikä herätti lisäkysymyksen: voidaanko tyhjiöfluktuaatioita valjastaa makroskooppisten kvanttitilojen manipulointiin?

Näiden kokeellisten toimien lisäksi professori Jiangin tiimi on tehnyt teoreettisia tutkimuksia aineen olomuotojen kvanttityhjiöohjauksesta. Tiimi esitti "vakuumroniikka"-käsitteen, jossa suunnitellut tyhjiöympäristöt säätelevät elektronisia ja fotonisia käyttäytymismalleja, mikä loi teoreettisen perustan tässä tutkimuksessa raportoidun tyhjiöllä tehostetun suprajohtavuuden mekanismin tulkinnalle.

"Vapaassa tilassa tapahtuvat tyhjiöfluktuaatiot ovat yleensä liian heikkoja tuottaakseen havaittavia vaikutuksia makroskooppisissa tiiviin aineen järjestelmissä", sanoi professori Zeng. "Tämän rajoituksen voittamiseksi otimme käyttöön terahertsisen halkiorengasresonaattorin. Tällainen pimeä ontelo voi muokata sähkömagneettista ympäristöä ja vahvistaa merkittävästi tyhjiöfluktuaatioita."

Tähän pimeään onteloon sijoitettiin NbSe2-suprajohde ja näin rakentui suprajohde-pimeä-ontelokytketyn rakenne. Vertaamalla systemaattisesti suprajohtavuutta ontelon ulkopuolella ja sisällä tiimi havaitsi NbSe2:n suprajohtavan kriittisen lämpötilan merkittävän nousun.

"Havaitsimme, että kriittinen lämpötila voi nousta jopa 5,4 % kuusikerroksisessa NbSe2- rakenteessa, samalla kun kriittinen virta ja kriittinen magneettikenttä voimistuvat merkittävästi suprajohtavan siirtymän lähellä", sanoi professori Cheng. "Tämä on ensimmäinen kokeellinen havainto tyhjiöfluktuaation tehostamasta suprajohtavuudesta."

"Tämä tulos, joka on läheisesti sidoksissa ontelon fotonisiin ominaisuuksiin, tarjoaa vahvaa kokeellista näyttöä suprajohtavan tilan ja pimeän ontelon moodien välisestä kytkennästä", sanoi professori Zeng.

Lisäksi professori Jiangin tiimi ja professori Wilczek kehittivät yhdessä teoreettisen mallin ja tulkitsivat taustalla olevaa mekanismia. Ginzburg–Landau-kehyksen puitteissa he ehdottivat, että suprajohtava tila vaihtaa virtuaalisia fotoneja pimeän ontelon kanssa, mikä alentaa suprajohtavan tilan energiaa ja vahvistaa siten suprajohtavuutta.

"Useimmissa käytännön fysiikassa tyhjiö toimii vain passiivisena näyttämönä, jossa ilmiöt tapahtuvat. Tämä työ osoittaa, että taustasta itsestään voi tulla toimija – suunniteltu vahvistamaan suprajohtavuutta ja muokkaamaan kvanttiaineen käyttäytymistä", sanoi professori Wilczek.

Tässä tutkimuksessa käytetään onteloihin suunniteltuja tyhjiöfluktuaatioita suprajohtavuuden parantamiseksi ei-invasiivisesti ilman ulkoista ohjausta. Tämä lähestymistapa tarjoaa kosketuksettoman säätönupin aineen kvanttitiloille. "Ontelorakenteiden ja materiaalijärjestelmien optimoinnilla tyhjiöfluktuaatiokytkentä voi mahdollistaa kvanttitilojen selkeämmän ja laajemmin sovellettavan hallinnan", päättelee professori Zeng.

Aiheesta aiemmin:

Suprajohtavuutta viritellen

Pseudogap ja suprajohtavuus