دانشمندان با استفاده از «فضای خالی» یک ابررسانا قوی‌تر ساختند

این مطالعه، منتشر شده در طبیعت، توسط پروفسور Changgan Zeng و Guanghui Cheng از دانشگاه علم و صنعت چین در آکادمی علوم چین رهبری می شود. این همکاری همچنین شامل پروفسور چینگدونگ جیانگ از دانشگاه جیائو تونگ شانگهای، پروفسور فرانک ویلچک از MIT و سایر محققان است.

جای خالی واقعا خالی نیست

در زبان روزمره، خلاء می تواند مانند فضای کاملاً خالی به نظر برسد. فیزیک کوانتومی تصویر بسیار متفاوتی را ترسیم می کند.

بر اساس الکترودینامیک کوانتومی و اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، حتی پایین ترین حالت انرژی نیز هرگز کاملاً ساکن نیست. ذرات مجازی دائما ظاهر می شوند و ناپدید می شوند و یک پس زمینه همیشه حاضر از نوسانات کوانتومی ایجاد می کنند.

این نوسانات فقط تئوری نیست. اثرات آنها از طریق پدیده های به خوبی تثبیت شده مانند تغییر بره، انتشار خود به خود و اثر کازیمیر مشاهده شده است.

برای چندین سال، تیم هایی به رهبری Zeng و Cheng بررسی کردند که چگونه این نوسانات خلاء بر سیستم های ماده متراکم تأثیر می گذارد. در یک مطالعه قبلی، محققان نشان دادند که می توانند به طور مستقیم نوسانات خلاء را با استفاده از یک میدان مغناطیسی دستکاری کنند تا نیروی کازیمیر را به طور برگشت پذیر بین جاذبه و دافعه تغییر دهند.

این نتیجه سوال بزرگتری را مطرح کرد: آیا می توان از نوسانات خلاء کوانتومی برای کنترل حالات کوانتومی ماکروسکوپی نیز استفاده کرد؟

تبدیل خلاء به یک ابزار کنترلی

گروه جیانگ از منظر تئوری به همین مسئله نزدیک شده است و مطالعه می کند که چگونه محیط های خلاء کوانتومی مهندسی شده می توانند بر حالات مختلف ماده تأثیر بگذارند.

محققان مفهوم «واکیومرونیک» را معرفی کردند که در آن از محیط های خلاء طراحی شده ویژه برای کنترل رفتار الکترونیکی و فوتونیکی استفاده می شود. این کار نظری به ارائه چارچوبی برای درک ابررسانایی افزایش یافته مشاهده شده در آزمایش‌های جدید کمک کرد.

پروفسور Zeng می گوید: “نوسانات خلاء در فضای آزاد معمولا برای ایجاد اثرات قابل مشاهده در سیستم های ماده متراکم ماکروسکوپی بسیار ضعیف هستند.” “برای غلبه بر این محدودیت، ما یک تشدید کننده حلقه تقسیم تراهرتز را معرفی کردیم. چنین حفره تاریکی می تواند محیط الکترومغناطیسی را تغییر دهد و نوسانات خلاء را تا حد زیادی تقویت کند.”

برای آزمایش این ایده، محققان ابررسانا NbSe2 را در یک حفره تاریک تراهرتز قرار دادند. این یک سیستم جفت شده ایجاد کرد که در آن مواد ابررسانا با محیط الکترومغناطیسی طراحی شده ویژه داخل حفره در تعامل است.

تیم سپس رفتار ابررسانایی ماده را در داخل و خارج از حفره مقایسه کرد. نتایج نشان داد که قرار دادن NbSe2 در حفره به طور قابل توجهی دمای بحرانی ابررسانایی آن را افزایش داد، دمایی که در زیر آن ماده وارد حالت ابررسانایی خود می‌شود.

ابررسانایی قوی تر می شود

پروفسور چنگ گفت: “ما مشاهده کردیم که دمای بحرانی را می توان تا 5.4٪ در یک دستگاه شش لایه NbSe2 افزایش داد، در حالی که جریان بحرانی و میدان مغناطیسی بحرانی در نزدیکی انتقال ابررسانا به شدت افزایش می یابد.” “این اولین مشاهده تجربی ابررسانایی است که توسط نوسانات خلاء افزایش یافته است.”

محققان مجموعه‌ای از آزمایش‌های کنترلی را برای تعیین اینکه آیا این اثر را می‌توان با تغییرات مرسوم‌تر در مواد توضیح داد یا خیر، انجام دادند.

آنها چندین ویژگی نصب را تغییر می دهند، از جمله هندسه حفره، فرکانس مشخصه، ضخامت مواد، مواد دی الکتریک و نوارهای فلزی. نتایج به آنها اجازه داد تا توضیحات مربوط به استرس، تخریب مواد، ناهمگنی و اثرات محافظ فلز را رد کنند.

یکی از قوی ترین سرنخ ها از رابطه بین بهره ابررسانایی و فرکانس مشخصه حفره تاریک می آید. به جای تغییر هموار، افزایش یک پیک رزونانس مانند در فرکانس خاصی را نشان داد.

پروفسور Zeng گفت: “این نتیجه که ارتباط نزدیکی با خواص فوتونیک حفره دارد، شواهد تجربی قوی برای جفت شدن حالت ابررسانا و حالت های حفره تاریک ارائه می دهد.”

فوتون های مجازی ممکن است این اثر را توضیح دهند

برای توضیح آنچه که در جریان است، تیم جیانگ و ویلچک یک مدل نظری بر اساس چارچوب گینزبورگ-لاندو ایجاد کردند.

تفسیر آنها نشان می دهد که حالت ابررسانا فوتون های مجازی را با حفره تاریک مبادله می کند. این فعل و انفعال انرژی حالت ابررسانا را کاهش می دهد و ابررسانایی را پایدارتر می کند و به طور موثر آن را تقویت می کند.

پروفسور جیانگ گفت: “زمانی که انرژی مشخصه حالت حفره با نوسانات ابررسانای کم انرژی همزمان شد، دستگاه NbSe2 تقویت تشدید را نشان داد و اوج را در بهره ابررسانایی تولید کرد.”

نتیجه، طرز تفکر معمول فیزیکدانان در مورد خلاء را تغییر می دهد. خلاء کوانتومی به جای اینکه صرفاً به عنوان یک پس‌زمینه خالی باشد، می‌تواند به طور بالقوه برای تأثیرگذاری بر رفتار خود ماده مهندسی شود.

پروفسور Wilczek گفت: “در بیشتر فیزیک عملی، خلاء به سادگی به عنوان یک مرحله غیرفعال عمل می کند که در آن پدیده ها نمایش داده می شوند. این کار نشان می دهد که پس زمینه خود می تواند به یک بازیگر تبدیل شود – طراحی شده برای افزایش ابررسانایی و تغییر رفتار ماده کوانتومی.”

روشی جدید برای کنترل ماده کوانتومی

این رویکرد ابررسانایی را بدون هدایت مستقیم مواد با منبع انرژی خارجی تقویت می کند. در عوض، محققان محیط خلاء اطراف را تغییر می‌دهند و روشی بدون تماس برای تأثیرگذاری بر وضعیت کوانتومی ماده ارائه می‌کنند.

این در نهایت می تواند نوسانات خلاء ایجاد شده را به یک مکانیسم کنترلی جدید مفید برای ابررساناها و سایر مواد کوانتومی تبدیل کند.

پروفسور Zeng می‌گوید: «با بهینه‌سازی بیشتر ساختارهای حفره و سیستم‌های مواد، کوپلینگ خلاء-نوسانات ممکن است کنترل واضح‌تر و گسترده‌تر حالت‌های کوانتومی را امکان‌پذیر کند».