空間は一般的に静かです。しかし、量子レベルでは、空虚は不必要なノイズで満ちています。現在、一組の国際研究者がこの騒がしい背景を利用して超伝導性を強化する方法を発見しました——超伝導性とは、材料が無抵抗で電流を伝導する現象です。彼らの新しい研究では、研究者たちは精密に設計された真空の揺らぎが二硒化ニオブ (NbSe₂) の超伝導転移温度をどのように向上させるかを示しました。この研究の著者の一人である中国科学院の教授、程光輝は「これは真空の揺らぎが超伝導性を強化する初の実験的観察を示しています」と述べています。
したがって、この実験は空間自体が量子物質を操作する新しいツールになり得ることを示唆しています。これは、超伝導材料の限界を押し広げる他の試みと類似しています。
研究者たちは真空の揺らぎを利用して超伝導性を強化することに成功
量子真空を制御のダイヤルに変える挑戦は、真空の揺らぎが通常あまりにも微弱で、マクロな材料の集団的挙動に大きな影響を与えられないことです。量子力学は、最低エネルギー状態でさえその場に避けられない揺らぎを保持することを意味します。ラムシフトやカシミール効果などの現象は、これらの揺らぎが物理的に実在することを証明しています。研究者たちは、これらの揺らぎを増幅し、超伝導性を制御するために利用できるかどうかを問いかけました。彼らの解決策は、テラヘルツ分環共振器という、電磁場を制約し再形成する構造です。研究者たちは六層のNbSe₂デバイスをこのいわゆる暗室内に配置し、材料の電子挙動が腔の揺らぎ電磁モードと相互作用できるシステムを作成しました。
その後、彼らは腔内と腔外でのNbSe₂の超伝導挙動を比較し、結果は驚くべきものでした。程光輝は「私たちは、六層のNbSe₂デバイスにおいて、臨界温度が最大5.4%向上し、臨界電流と臨界磁場が超伝導転移近傍で著しく増強されることを観察しました」と述べています。 このチームは、この効果を観察するだけにとどまりませんでした。彼らは腔の形状や特性周波数、NbSe₂の厚さ、誘電材料、金属ストリップを系統的に変更しました。これらのテストは、機械的ひずみ、材料劣化、不均一なサンプル、金属の電磁シールドなど、より一般的な説明を排除するのに役立ちました。
不尋常な超伝導材料に関する類似の研究は、超伝導性がその物理環境の変化に対して非常に強く反応することを示しています。腔が超伝導体と相互作用し始めると、特に重要な手がかりが現れます。増強は周波数に均等に分布せず、腔の特性周波数に関連した共鳴のピーク応答を生じます。これは、腔が単に材料の周囲の環境を変えるだけでなく、超伝導状態と積極的に結合していることを示しています。
腔体方法は将来の超伝導技術の鍵となる可能性がある
理論研究は、起こっていることをさらに説明しています。研究者たちは、腔の揺らぎ電磁場が仮想光子を介して超伝導状態と相互作用することを提案しています。彼らのモデルでは、この相互作用が超伝導状態のエネルギーを低下させ、超伝導性をより優位にします。腔の特性エネルギーが低エネルギーの超伝導揺らぎのエネルギースケールと一致する時、効果は最も強く、実験で観察された共鳴ピークを生じます。この発見は、チームの以前の研究に基づいており、彼らは磁場を使用してカシミール力を引き寄せから排除に可逆的に制御することを示しました。
この新しい実験はさらに進んでいます。マサチューセッツ工科大学の理論物理学者であり、研究の共同著者であるFrank Wilczekは、「ほとんどの実際の物理において、真空は現象が発生するための受動的な舞台としてのみ使用されます。この研究は、背景自体が主役になり得ること——超伝導性を強化し、量子物質の挙動を再形成するために設計されることを示しています」と指摘しています。 この発見は、超伝導体が現在日常温度で動作できることを意味するものではありません。報告された増強は適度であり、実験は精密に設計された腔体条件下でNbSe₂に対して行われました。
研究者たちは、この効果の作動範囲を特定し、異なる材料や腔体設計を通じてより強い増強を実現できるかどうかを確認する必要があります。しかし、この原則は重要な価値を持つ可能性があります。外部の電気や磁気駆動に依存する従来の方法とは異なり、腔体方法は材料を直接駆動することなく材料に影響を与えることができます。この量子システムへの非接触制御は、超伝導量子技術に関連する可能性があり、実験室の効果が実際のデバイスに転換される前にはまだ多くの作業が必要です。この研究は『Nature』誌に発表されました。