Zusammenfassung:
Forscher der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Shanghai Jiao Tong Universität, dem MIT und anderen Institutionen haben einen neuen Fortschritt in der supraleitenden Forschung erzielt. Sie nutzten einen speziell entwickelten Terahertz-„dunklen Hohlraum“, um die ursprünglich extrem schwachen Quantenvakuumfluktuationen künstlich zu verstärken, und beobachteten erstmals experimentell, dass diese Vakuumfluktuation supraleitende Eigenschaften verbessern kann. Forschungsergebnisse zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen die supraleitende kritische Temperatur eines sechs Schichten dicken Niob-Diselenid-Geräts (NbSe₂) um bis zu 5,4 % erhöht werden kann, während gleichzeitig der kritische Strom und das kritische Magnetfeld ebenfalls erheblich verbessert werden.
Diese Forschung wurde vom Team von Zeng Changgan und Cheng Guanghui von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas und dem Team von Jiang Qingdong von der Shanghai Jiao Tong University durchgeführt. Beteiligt waren auch Forscher wie Frank Wilczek, Physiker am Massachusetts Institute of Technology und Nobelpreisträger für Physik. Der entsprechende Artikel wurde in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht.
Im Konzept der klassischen Physik wird Vakuum normalerweise als ein Raum ohne Materie betrachtet, aber die Quantenmechanik gibt eine völlig andere Antwort. Gemäß der Quantenelektrodynamik und der Heisenbergschen Unschärferelation gibt es auch im niedrigsten Energiezustand noch Quantenfluktuationen im Raum, die nicht vollständig beseitigt werden können. Es werden weiterhin virtuelle Teilchen erzeugt und vernichtet, so dass sich das sogenannte „Nichts“ eigentlich immer in einem Zustand mikroskopischer Aktivität befindet.
Quantenvakuumfluktuation ist kein rein theoretisches Konzept. Seine Existenz wurde durch experimentelle Phänomene wie Lamb-Shift, spontane Emission und Casimir-Effekt bestätigt. Unter normalen Bedingungen ist der Effekt von Vakuumschwankungen jedoch normalerweise sehr schwach und es ist schwierig, kondensierte Materie auf der Makroskala direkt zu beeinflussen.
Das Forschungsteam hat zuvor untersucht, wie diese Quantenvakuumfluktuation kontrolliert werden kann. Das Team von Zeng Changgan und Cheng Guanghui hatte zuvor Magnetfelder verwendet, um die Casimir-Kraft reversibel anzupassen und so zwischen anziehenden und abstoßenden Kräften zu wechseln. Diese Arbeit wirft außerdem die Frage auf: Wenn Vakuumfluktuationen aktiv manipuliert werden können, kann dieser scheinbar schwache Quanteneffekt auch zur Steuerung makroskopischer Quantenzustände genutzt werden?
Gleichzeitig untersuchte das Team um Jiang Qingdong aus theoretischer Sicht, wie sich Quantenvakuum auf den Zustand der Materie auswirkt, und schlug das Konzept der „Vakuumronik“ vor, bei dem das Verhalten von Elektronen und Photonen durch die künstliche Gestaltung einer Vakuumumgebung reguliert werden soll. Dieses supraleitende Experiment liefert eine neue experimentelle Grundlage für diese theoretische Idee.
Forscher weisen darauf hin, dass Vakuumschwankungen im gewöhnlichen freien Raum normalerweise zu schwach sind, um einen signifikanten Einfluss auf makroskopische Systeme kondensierter Materie zu haben. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten sie einen Terahertz-Split-Ring-Resonator, einen sogenannten „dunklen Hohlraum“. Dieser spezielle Hohlraum kann die umgebende elektromagnetische Umgebung verändern und Vakuumschwankungen deutlich verstärken.
Die Forscher platzierten dann das supraleitende Material NbSe₂ im Inneren des dunklen Terahertz-Hohlraums, konstruierten eine Vorrichtung, die den Supraleiter mit dem dunklen Hohlraum koppelte, und verglichen es mit ähnlichen Materialien außerhalb des Hohlraums. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass nach dem Eintritt in den dunklen Hohlraum die supraleitende kritische Temperatur von NbSe₂ deutlich ansteigt. Im sechsschichtigen NbSe₂-Bauelement stieg die kritische Temperatur um bis zu 5,4 %. Gleichzeitig stiegen auch der kritische Strom und das kritische Magnetfeld in der Nähe des supraleitenden Übergangs deutlich an.
Die kritische Temperatur der Supraleitung ist ein wichtiger Indikator für die Beurteilung der Leistung supraleitender Materialien. Erst wenn die Temperatur des Materials diesen kritischen Wert unterschreitet, kann es in den supraleitenden Zustand übergehen. Eine Erhöhung der kritischen Temperatur bedeutet, dass das Material bei einer höheren Temperatur supraleitend bleiben kann, während eine Erhöhung des kritischen Stroms und des kritischen Magnetfelds bedeutet, dass der supraleitende Zustand größeren Strömen und Magnetfeldern standhalten kann.
Um zu bestätigen, dass diese Verstärkung nicht durch andere gewöhnliche physikalische Faktoren verursacht wurde, führten die Forscher eine große Anzahl kontrollierter Experimente durch. Sie veränderten systematisch die Geometrie und die charakteristische Frequenz des dunklen Hohlraums und veränderten gleichzeitig Parameter wie Materialstärke, dielektrisches Material und Metallstreifenstruktur. Experimentelle Ergebnisse schließen Faktoren wie Dehnung, Materialabbau, Materialinhomogenität und Metallabschirmung als Hauptgründe aus.
Der kritischste Beweis stammt aus Veränderungen in der charakteristischen Frequenz des dunklen Hohlraums. Als die Forscher die charakteristische Frequenz des dunklen Hohlraums änderten, änderte sich der supraleitende Verstärkungseffekt nicht einfach mit der Frequenz, sondern zeigte einen offensichtlichen Höhepunkt. Wenn die charakteristische Frequenz des Hohlraums einen bestimmten Bereich erreicht, wird die supraleitende Leistung am stärksten verbessert.
Die Forscher glauben, dass dieses Spitzenverhalten, das eng mit den optischen Eigenschaften des Hohlraums zusammenhängt, eine wichtige experimentelle Grundlage für die Kopplung zwischen dem supraleitenden Zustand und dem dunklen Hohlraummodus darstellt. Mit anderen Worten: Die Forschungsergebnisse zeigen nicht einfach, dass „das Einbringen eines supraleitenden Materials in einen speziellen Hohlraum es stärker macht“, sondern zeigen, dass es eine Wechselwirkung mit den Resonanzeigenschaften zwischen dem supraleitenden Zustand und bestimmten elektromagnetischen Moden im Hohlraum gibt.
Um das experimentelle Phänomen weiter zu erklären, erstellten das Team um Jiang Qingdong, Wilczek und andere ein theoretisches Modell. Sie nutzten den theoretischen Rahmen von Ginzburg-Landau, um vorzuschlagen, dass der supraleitende Zustand über virtuelle Photonen mit dem dunklen Hohlraum interagieren kann. Diese Wechselwirkung kann die Energie des supraleitenden Zustands verringern, wodurch der supraleitende Zustand stabiler wird und letztendlich die supraleitenden Eigenschaften verbessert werden.
Wenn die charakteristische Energie des Dark-Cavity-Modus mit der niederenergetischen Fluktuation im supraleitenden System übereinstimmt, erreicht die Kopplung zwischen beiden einen Resonanzzustand, sodass im Experiment der Höhepunkt des supraleitenden Verstärkungseffekts erscheint.
Das Besondere an dieser Studie ist, dass die Forscher die Supraleitung nicht durch externe Ansteuerung im herkömmlichen Sinne verbesserten, sondern die Kontrolle dadurch erlangten, dass sie die Quantenvakuumumgebung veränderten, in der sich das Material befindet. Mit anderen Worten: Das Vakuum selbst ist nicht mehr nur ein passiver Hintergrund, der physikalische Phänomene beherbergt, sondern kann durch sorgfältig gestaltete Hohlräume zu einem aktiven Werkzeug werden, um den Quantenzustand der Materie zu beeinflussen.
Die Forscher sagten, dass diese Methode eine neue Möglichkeit bietet, Quantenmaterialien berührungslos zu kontrollieren. Anstatt externe elektrische Felder, Magnetfelder oder andere Antriebsmethoden direkt anzuwenden, verändern Forscher hauptsächlich die elektromagnetische Vakuumumgebung um das Material herum, indem sie die Hohlraumstruktur entwerfen und so den supraleitenden Zustand beeinflussen.
Wenn die Struktur des dunklen Hohlraums und das verwendete Materialsystem in Zukunft weiter optimiert werden können, könnte die Kopplung zwischen Vakuumfluktuationen und Quantenmaterialien weiter verbessert und voraussichtlich auf weitere Arten von Quantenzuständen und Quantenmaterialien ausgeweitet werden.
Diese Forschung bedeutet auch, dass sich die Art und Weise, wie Menschen das „Vakuum“ nutzen, ändern könnte. In der Vergangenheit galt das Vakuum eher als eine Umgebung, die zur Eliminierung von Interferenzen in Experimenten benötigt wurde, doch die Entwicklung der Quantenphysik hat bewiesen, dass Vakuum nicht wirklich „nichts“ ist. Dieses Experiment zeigt außerdem, dass durch die künstliche Gestaltung einer Vakuumumgebung ursprünglich schwache Quantenfluktuationen sogar in ein Werkzeug zur Regulierung makroskopischer Quantenmaterialien umgewandelt werden können, was eine neue Forschungsrichtung für die zukünftige Supraleitungstechnologie und Quantenmaterialforschung bietet.
Kommentare