Ученые впервые усилили сверхпроводимость с помощью вакуумных флуктуаций
Ученые впервые экспериментально показали, что вакуумные флуктуации способны усиливать сверхпроводимость. В шестислойном устройстве из NbSe₂ критическая температура увеличилась до 5,4%.
Источник: Image by USTC. Схема сверхпроводимости, усиленной флуктуациями вакуума.
МОСКВА, 26 августа /Новости науки/. Ученые впервые экспериментально продемонстрировали усиление сверхпроводимости под действием вакуумных флуктуаций. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
В шестислойном устройстве из NbSe₂ критическая температура повысилась на величину до 5,4%. Исследователи также зафиксировали существенное увеличение критического тока и критического магнитного поля вблизи сверхпроводящего перехода.
«Мы наблюдали, что критическая температура может увеличиваться на величину до 5,4% в шестислойном устройстве NbSe₂, в то время как критический ток и критическое магнитное поле существенно возрастают вблизи сверхпроводящего перехода. Это представляет собой первое экспериментальное наблюдение сверхпроводимости, усиленной вакуумными флуктуациями», — отметили ученые.
Для эксперимента исследователи использовали терагерцевый разрезной кольцевой резонатор — темную полость, способную изменять электромагнитное окружение и существенно усиливать вакуумные флуктуации. В нее поместили сверхпроводник NbSe₂ и создали устройство, в котором сверхпроводник был связан с темной полостью.
Чтобы установить причину эффекта, ученые провели контрольные эксперименты, изменяя геометрию и характерную частоту полости, толщину материалов, диэлектрические материалы и металлические полоски. Это позволило исключить такие объяснения, как деформация, деградация и неоднородность материала, а также эффекты металлического экранирования.
При этом усиление сверхпроводимости показало резонансную зависимость от характерной частоты темной полости. По данным исследования, такая связь с фотонными характеристиками полости стала сильным экспериментальным свидетельством взаимодействия сверхпроводящего состояния с модами темной полости.
Для объяснения наблюдений была разработана теоретическая модель в рамках теории Гинзбурга — Ландау. Согласно ей, сверхпроводящее состояние обменивается виртуальными фотонами с темной полостью, вследствие чего его энергия снижается, а сверхпроводимость усиливается. Резонансный эффект возникал, когда характерная энергия моды полости соответствовала низкоэнергетическим сверхпроводящим флуктуациям.
В квантовой электродинамике вакуум не является полностью пустым пространством. Даже в основном состоянии в нем сохраняются квантовые флуктуации, связанные с постоянным появлением и исчезновением виртуальных частиц. К экспериментальным проявлениям таких флуктуаций относят лэмбовский сдвиг, спонтанное излучение и эффект Казимира.
Авторы исследования отмечают, что в свободном пространстве вакуумные флуктуации обычно слишком слабы для наблюдаемого воздействия на макроскопические системы конденсированного состояния. В более ранней работе исследователи уже продемонстрировали непосредственное управление вакуумными флуктуациями, добившись обратимого перехода силы Казимира от притяжения к отталкиванию под действием магнитного поля.
В шестислойном устройстве из NbSe₂ критическая температура повысилась на величину до 5,4%. Исследователи также зафиксировали существенное увеличение критического тока и критического магнитного поля вблизи сверхпроводящего перехода.
«Мы наблюдали, что критическая температура может увеличиваться на величину до 5,4% в шестислойном устройстве NbSe₂, в то время как критический ток и критическое магнитное поле существенно возрастают вблизи сверхпроводящего перехода. Это представляет собой первое экспериментальное наблюдение сверхпроводимости, усиленной вакуумными флуктуациями», — отметили ученые.
Для эксперимента исследователи использовали терагерцевый разрезной кольцевой резонатор — темную полость, способную изменять электромагнитное окружение и существенно усиливать вакуумные флуктуации. В нее поместили сверхпроводник NbSe₂ и создали устройство, в котором сверхпроводник был связан с темной полостью.
Чтобы установить причину эффекта, ученые провели контрольные эксперименты, изменяя геометрию и характерную частоту полости, толщину материалов, диэлектрические материалы и металлические полоски. Это позволило исключить такие объяснения, как деформация, деградация и неоднородность материала, а также эффекты металлического экранирования.
При этом усиление сверхпроводимости показало резонансную зависимость от характерной частоты темной полости. По данным исследования, такая связь с фотонными характеристиками полости стала сильным экспериментальным свидетельством взаимодействия сверхпроводящего состояния с модами темной полости.
Для объяснения наблюдений была разработана теоретическая модель в рамках теории Гинзбурга — Ландау. Согласно ей, сверхпроводящее состояние обменивается виртуальными фотонами с темной полостью, вследствие чего его энергия снижается, а сверхпроводимость усиливается. Резонансный эффект возникал, когда характерная энергия моды полости соответствовала низкоэнергетическим сверхпроводящим флуктуациям.
В квантовой электродинамике вакуум не является полностью пустым пространством. Даже в основном состоянии в нем сохраняются квантовые флуктуации, связанные с постоянным появлением и исчезновением виртуальных частиц. К экспериментальным проявлениям таких флуктуаций относят лэмбовский сдвиг, спонтанное излучение и эффект Казимира.
Авторы исследования отмечают, что в свободном пространстве вакуумные флуктуации обычно слишком слабы для наблюдаемого воздействия на макроскопические системы конденсированного состояния. В более ранней работе исследователи уже продемонстрировали непосредственное управление вакуумными флуктуациями, добившись обратимого перехода силы Казимира от притяжения к отталкиванию под действием магнитного поля.
