Учёные впервые усилили сверхпроводимость с помощью «пустого пространства»

Исследователи из Китая и США впервые экспериментально показали, что квантовые флуктуации вакуума способны усиливать сверхпроводимость. Работа опубликована в журнале Nature.

Исследование провели профессора Чангань Цзэн и Гуанхуэй Чэн из Университета науки и технологий Китая (Китайская академия наук) при участии профессора Циндун Цзяна из Шанхайского университета Цзяо Тун и профессора Фрэнка Вильчека из Массачусетского технологического института.

С точки зрения квантовой электродинамики и принципа неопределённости Гейзенберга вакуум не является абсолютно пустым: в нём постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы, создавая фоновые квантовые флуктуации. Их эффекты давно известны — например, лэмбовский сдвиг, спонтанное излучение и эффект Казимира.

Ранее группы Цзэна и Чэна уже показали, что вакуумными флуктуациями можно управлять с помощью магнитного поля, обратимо переключая силу Казимира между притяжением и отталкиванием. Тогда возник вопрос: можно ли использовать эти флуктуации для управления макроскопическими квантовыми состояниями?

Группа Цзяна подошла к задаче теоретически, введя понятие «вакуумтроники» — управления электронным и фотонным поведением через специально спроектированную вакуумную среду. Эта теория помогла объяснить результаты новых экспериментов.

«Флуктуации вакуума в свободном пространстве обычно слишком слабы, чтобы дать наблюдаемый эффект в макроскопических конденсированных системах. Чтобы преодолеть это ограничение, мы использовали терагерцовый резонатор с разрезными кольцами. Такая тёмная полость способна перестраивать электромагнитную среду и существенно усиливать вакуумные флуктуации», — пояснил профессор Цзэн.

В эксперименте сверхпроводник NbSe2 поместили внутрь терагерцовой тёмной полости. Сравнив поведение материала внутри и снаружи, учёные обнаружили, что в полости значительно возрастает критическая температура сверхпроводящего перехода.

«Мы наблюдали рост критической температуры до 5,4% в устройстве на основе шестислойного NbSe2, а критический ток и критическое магнитное поле заметно усиливались вблизи перехода. Это первое экспериментальное подтверждение усиления сверхпроводимости вакуумными флуктуациями», — отметил профессор Чэн.

Серия контрольных экспериментов с варьированием геометрии полости, частоты, толщины материала и диэлектриков позволила исключить влияние деформаций, деградации материала, неоднородности и эффектов металлического экранирования.

Ключевым доказательством стала зависимость усиления от характеристической частоты полости: вместо плавного изменения наблюдался резонансный пик на определённой частоте.

«Этот результат, тесно связанный с фотонными свойствами полости, служит сильным экспериментальным свидетельством связи сверхпроводящего состояния с модами тёмной полости», — сказал профессор Цзэн.

Для объяснения эффекта команда Цзяна и Вильчек построила теоретическую модель на основе формализма Гинзбурга — Ландау. Согласно интерпретации, сверхпроводящее состояние обменивается виртуальными фотонами с тёмной полостью, что понижает его энергию и делает сверхпроводимость более устойчивой.

«Когда характеристическая энергия моды полости совпадала с низкоэнергетическими сверхпроводящими флуктуациями, устройство NbSe2 демонстрировало резонансное усиление», — добавил профессор Цзян.

«В большинстве практических разделов физики вакуум служит лишь пассивной сценой, на которой разворачиваются явления. Эта работа показывает, что сам фон может стать действующим лицом — его можно спроектировать так, чтобы усиливать сверхпроводимость и менять поведение квантовой материи», — подчеркнул профессор Вильчек.

Подход усиливает сверхпроводимость без прямого воздействия внешним источником энергии — вместо этого исследователи перестраивают окружающую вакуумную среду, предлагая бесконтактный метод управления квантовым состоянием материи. В перспективе это может стать новым инструментом контроля для сверхпроводников и других квантовых материалов.

«При дальнейшей оптимизации структур полостей и материалов систем связь через вакуумные флуктуации может обеспечить более выраженное и широко применимое управление квантовыми состояниями», — заключил профессор Цзэн.

Источники:

Материалы предоставлены Штаб-квартирой Китайской академии наук.

Zheyan Wang, Gabriel Cardoso, Liu Yang, Xun Gong, Chi Zhang, Yufei Zhu, Dongbo Zhang, Nan Pan, Hongbing Cai, Yong P. Chen, Qing-Dong Jiang, Guanghui Cheng, Frank Wilczek, Changgan Zeng. Evidence for vacuum-enhanced superconductivity in NbSe2. Nature, 2026; 657 (8133): 912 DOI: 10.1038/s41586-026-11037-x