پژوهشگران یک کاواک با طراحی خاص را برای تقویت نوسانات خلاء کوانتومی و افزایش ابررسانایی در ماده نازک به کار بردند.

شماتیک ابررسانایی تقویت شده با نوسان خلاء. منبع عکس: USTC

فضای خالی در حقیقت خالی نیست. حتی خلاء حاوی نوسانات کوانتومی پویا است و پژوهشگران اکنون برای اولین بار نشان داده اند که این اثرات معمولا نامحسوس را می توان برای تقویت ابررسانایی مهندسی کرد.

این پژوهش به رهبری چانگان زِنگ Changgan Zeng و گوانگهوی چِنگ Guanghui Cheng از دانشگاه علم و فناوری چین وابسته به آکادمی علوم چین، همراه با کینگدونگ جیانگ Qingdong Jiang از دانشگاه شانگهای جیائو تونگ، فرانک ویلچک Frank Wilczek از موسسه فناوری ماساچوست و دیگر همکاران در مجله Nature منتشر شد.

در الکترودینامیک کوانتومی، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ به این معنی است که حتی پایین ترین حالت انرژی نیز فعالیت اجتناب ناپذیری را حفظ می کند، زیرا ذرات مجازی دائما ظاهر و ناپدید می شوند. این نوسانات کوانتومی چیزی را پر می کنند که در غیر این صورت ممکن بود فضای خالی به نظر برسد. وجود آنها به طور تجربی توسط اثرات شناخته شده ای از جمله جابه جایی لمب، گسیل خود به خودی و اثر کازیمیر تایید می شود.

زِنگ و چِنگ سالهای اخیر را صرف مطالعه چگونگی تاثیر این نوسانات خلاء بر سیستم های ماده چگال کرده اند. در یک مطالعه قبلی، گروه آنها به طور مستقیم نوسانات خلاء را با استفاده از یک میدان مغناطیسی کنترل کردند تا نیروی کازیمیر را به طور برگشت پذیر از جاذبه به دافعه تغییر دهند. این نتیجه، سوال بزرگتری را مطرح کرد: آیا نوسانات خلاء را می توان برای دستکاری حالتهای کوانتومی ماکروسکوپی هم مورد استفاده قرار داد؟

به موازات این پژوهش، گروه جیانگ به طور نظری بررسی کرد که چگونه خلاء کوانتومی ممکن است حالتهای ماده را کنترل کند. آنها ایده "وکیومرونیک" (vacuumronics) را مطرح کردند که در آن محیط های خلاء به طور هدفمند مهندسی شده، رفتارهای الکترونیکی و فوتونیکی را تنظیم می کنند. این پژوهش نظری، چارچوبی را برای درک ابررسانایی تقویت شده با خلاء که در آزمایشهای جدید مشاهده شده بود فراهم کرد.

پروفسور زِنگ می گوید: "نوسانات خلاء در فضای آزاد عموماً بسیار ضعیف تر از آن هستند که بتوانند اثرات قابل مشاهده ای در سیستم های ماده چگال ماکروسکوپی ایجاد کنند. برای غلبه بر این محدودیت، ما یک تشدیدگر حلقوی شکاف دار تراهرتز را معرفی کردیم. چنین کاواک تاریکی می تواند محیط الکترومغناطیسی را تغییر شکل داده و نوسانات خلاء را به طور چشمگیری تقویت کند."

یک کاواک، ابررسانایی را تقویت کرد

برای آزمودن اینکه آیا این نوسانات تقویت شده می توانند بر ابررسانایی تاثیر بگذارند، گروه زِنگ و چِنگ، NbSe₂ ابررسانا را درون یک کاواک تاریک (dark-cavity) تراهرتز قرار دادند و یک دستگاه جفت شده ی کاواک تاریک-ابررسانا ایجاد کردند. مقایسه ماده درون و بیرون کاواک، افزایش قابل توجهی را در دمای بحرانی ابررسانایی آن، یعنی دمایی که در کمتر از آن ماده به ابررسانا تبدیل می شود، نشان داد.

پروفسور چِنگ می گوید: "ما مشاهده کردیم که دمای بحرانی می تواند تا 5.4% در یک دستگاه NbSe₂ شش لایه افزایش یابد، در حالیکه جریان بحرانی و میدان مغناطیسی بحرانی به طور قابل توجهی در نزدیکی گذار ابررسانایی تقویت می شوند. این یافته، اولین مشاهده تجربی از ابررسانایی تقویت شده با نوسان خلاء را نمایش می دهد."

تشدید، ارتباط با نوسانات خلاء را تقویت می کند

پژوهشگران سپس بررسی کردند که آیا اثرات معمولی تر می توانند این افزایش را توضیح دهند. آنها به طور سیستماتیک، هندسه کاواک و بسامد مشخصه، ضخامت ماده، مواد دی الکتریک و نوارهای فلزی را تغییر دادند. این آزمایشهای کنترلی به طور موثر عواملی همچون تنش، تخریب ماده، ناهمگنی و اثرات پوششی فلز را رد کردند.

یک سرنخ بسیار مهم زمانی پدیدار شد که تقویت ابررسانایی نسبت به بسامد مشخصه کاواک تاریک، وابستگی قله-مانند نشان داد. پروفسور زِنگ می گوید: "این نتیجه که ارتباط نزدیکی با ویژگیهای فوتونی کاواک دارد، گواه تجربی قوی از جفت شدگی بین حالت ابررسانایی و مُدهای کاواک تاریک ارائه می دهد."

گروه جیانگ و ویلچک همچنین یک مدل نظری را برای توضیح چگونگی امکان ایجاد این اثر توسعه دادند. آنها با استفاده از یک چارچوب گینزبورگ-لاندائو پیشنهاد دادند که حالت ابررسانایی، با کاواک تاریک فوتون های مجازی مبادله می کند. این برهمکنش، انرژی حالت ابررسانایی را کاهش داده و در عوض ابررسانایی را تقویت می کند.

پروفسور جیانگ می گوید: "هرگاه انرژی مشخصه مد کاواک با نوسانات ابررسانایی کم انرژی مطابقت پیدا می کرد، دستگاه NbSe₂ تقویت تشدیدی از خود نشان داده و در میزان تقویت ابررسانایی قله ایجاد می کرد". پروفسور ویلچک می گوید: "در بیشتر فیزیک کاربردی، خلاء صرفا به عنوان صحنه ای غیرفعال عمل می کند که پدیده ها روی آن اجرا می شوند. این پژوهش نشان می دهد که خودِ پس زمینه می تواند به یک بازیگر تبدیل شود که برای تقویت ابررسانایی و تغییر شکل رفتار ماده کوانتومی مهندسی شده است."

خلاء می تواند به یک ابزار کنترلی تبدیل شود

پژوهشگران با مهندسی محیط کاواک، ابررسانایی را بدون اعمال محرک خارجی افزایش دادند که یک روش غیرتماسی برای تاثیرگذاری بر حالتهای کوانتومی ماده ارائه می دهد. این رویکرد پیشنهاد می دهد که محیط های خلاءِ به دقت طراحی شده، می توانند به ابزار دیگری برای کنترل مواد کوانتومی مبدل شوند.

پروفسور زِنگ می گوید: "با بهینه تر کردن ساختارهای کاواک و سیستم های ماده، جفت شدگی نوسان خلاء می تواند کنترل مشهودتر و کاربردی تری از حالتهای کوانتومی را امکان پذیر سازد."

منبع:

Researchers Turned “Empty Space” Into a Tool for Superconductivity