Pētnieki pirmoreiz eksperimentāli pierādījuši, ka kvantu svārstības vakuumā var pastiprināt supravadītspēju, paverot jaunu iespēju neparastu vielas stāvokļu kontrolei. Pētījums publicēts žurnālā Nature; to vadīja Čangans Zens un Guanhui Čens no Ķīnas Zinātņu un tehnoloģiju universitātes, kas ir Ķīnas Zinātņu akadēmijas sastāvā.

Pētījumā piedalījās arī Cjinduns Dzjans no Šanhajas Dzjaotunas universitātes, Franks Vilčeks no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta un citi pētnieki.

Vakuums nav pilnīgi tukšs

Ikdienas izpratnē vakuums nozīmē pilnīgi tukšu telpu, taču kvantu fizika to raksturo citādi. Saskaņā ar kvantu elektrodinamiku un Heizenberga nenoteiktības principu pat viszemākās enerģijas stāvoklis nekad nav pilnīgi nekustīgs. Virtuālās daļiņas nepārtraukti rodas un izzūd, veidojot pastāvīgu kvantu svārstību fonu.

Šo svārstību ietekme nav tikai teorētiska. Tā novērota tādās parādībās kā Lemba nobīde, spontānā emisija un Kazimira efekts. Zena un Čena vadītās komandas jau vairākus gadus pēta, kā vakuuma svārstības ietekmē kondensētās vielas sistēmas. Iepriekšējā darbā pētnieki parādīja, ka ar magnētisko lauku iespējams tieši ietekmēt vakuuma svārstības un atgriezeniski pārslēgt Kazimira spēku starp pievilkšanos un atgrūšanos.

Šis rezultāts radīja plašāku jautājumu: vai kvantu vakuuma svārstības iespējams izmantot arī makroskopisku kvantu stāvokļu kontrolei?

To pašu problēmu no teorētiskās puses pētīja Dzjana grupa, analizējot, kā īpaši izveidotas kvantu vakuuma vides varētu ietekmēt dažādus vielas stāvokļus. Pētnieki ieviesa jēdzienu “vakuumtronika” — pieeju, kurā īpaši projektētas vakuuma vides izmanto elektronisko un fotonisko procesu vadīšanai. Šis teorētiskais darbs palīdzēja izveidot pamatu jaunajos eksperimentos novērotajam supravadītspējas pieaugumam.

“Brīvā telpā vakuuma svārstības parasti ir pārāk vājas, lai radītu novērojamu ietekmi makroskopiskās kondensētās vielas sistēmās,” sacīja Zens. “Lai pārvarētu šo ierobežojumu, mēs ieviesām terahercu diapazona sadalītā gredzena rezonatoru. Šāda tumšā dobums var pārveidot elektromagnētisko vidi un būtiski pastiprināt vakuuma svārstības.”

NbSe2 supravadītspēja kļuva spēcīgāka

Eksperimentā pētnieki supravadītāju NbSe2 ievietoja terahercu diapazona tumšā dobumā. Tādējādi izveidojās saistīta sistēma, kurā materiāls mijiedarbojās ar īpaši izveidoto elektromagnētisko vidi dobuma iekšienē.

Komanda salīdzināja materiāla supravadītspēju dobumā un ārpus tā. NbSe2 ievietošana dobumā būtiski palielināja tā supravadītspējas kritisko temperatūru — temperatūru, zem kuras materiāls pāriet supravadītspējīgā stāvoklī.

“Mēs novērojām, ka kritiskā temperatūra sešu slāņu NbSe2 ierīcē var palielināties līdz 5,4%, turklāt supravadītspējas pārejas tuvumā būtiski pieaug kritiskā strāva un kritiskais magnētiskais lauks,” sacīja Čens. “Tas ir pirmais eksperimentālais vakuuma svārstību pastiprinātas supravadītspējas novērojums.”

Pētnieki veica virkni kontrolējošu eksperimentu, lai noskaidrotu, vai efektu nevarētu izskaidrot ar parastākām materiāla izmaiņām. Viņi mainīja dobuma ģeometriju, raksturīgo frekvenci, materiāla slāņu biezumu, dielektriskos materiālus un metāliskās joslas.

Rezultāti ļāva izslēgt skaidrojumus, kas būtu saistīti ar mehānisku spriegumu, materiāla degradāciju, neviendabīgumu vai metāliskās ekranēšanas efektiem. Viena no būtiskākajām norādēm bija saistība starp supravadītspējas pastiprinājumu un tumšā dobuma raksturīgo frekvenci. Pastiprinājums nemainījās vienmērīgi, bet noteiktā frekvencē sasniedza rezonansei līdzīgu maksimumu.

“Šis rezultāts, kas cieši saistīts ar dobuma fotoniskajām īpašībām, sniedz pārliecinošus eksperimentālus pierādījumus par mijiedarbību starp supravadītspējīgo stāvokli un tumšā dobuma režīmiem,” sacīja Zens.

Virtuālo fotonu mijiedarbība

Lai izskaidrotu novēroto parādību, Dzjana komanda un Vilčeks izstrādāja teorētisku modeli, kas balstīts uz Ginzburga–Landau teorētisko ietvaru.

Viņu interpretācija paredz, ka supravadītspējīgais stāvoklis apmainās ar virtuālajiem fotoniem tumšajā dobumā. Šī mijiedarbība samazina supravadītspējīgā stāvokļa enerģiju, padarot supravadītspēju stabilāku un tādējādi to pastiprinot.

“Kad dobuma režīma raksturīgā enerģija sakrita ar zemas enerģijas supravadītspējas svārstībām, NbSe2 ierīcē parādījās rezonanses pastiprinājums, radot supravadītspējas pieauguma maksimumu,” sacīja Dzjans.

Rezultāts maina ierasto skatījumu uz vakuumu. Tas vairs nav tikai tukšs fons, uz kura notiek fizikāli procesi, bet potenciāli pārveidojama vide, kas pati var ietekmēt vielas uzvedību.

“Lielākajā daļā praktiskās fizikas vakuums kalpo tikai kā pasīva skatuve, uz kuras norisinās parādības. Šis darbs parāda, ka pats fons var kļūt par aktīvu dalībnieku — to iespējams izveidot tā, lai pastiprinātu supravadītspēju un pārveidotu kvantu vielas uzvedību,” sacīja Vilčeks.

Pieeja pastiprina supravadītspēju, tieši nepievadot materiālam ārēju enerģijas avotu. Tā vietā pētnieki pārveido apkārtējo vakuuma vidi, iegūstot bezkontakta metodi kvantu vielas stāvokļa ietekmēšanai.

Nākotnē īpaši izveidotas vakuuma svārstības varētu kļūt par jaunu supravadītāju un citu kvantu materiālu vadības mehānismu. “Turpinot optimizēt dobumu struktūras un materiālu sistēmas, vakuuma svārstību sasaistīšana varētu nodrošināt izteiktāku un plašāk izmantojamu kvantu stāvokļu kontroli,” sacīja Zens.