Vakuumfluktuationer kan förstärka supraledning

– Detta är den första experimentella observationen av supraledning som förstärks av vakuumfluktuationer, säger Guanghui Cheng, professor vid University of Science and Technology of China.

En supraledare är ett material som kan leda elektrisk ström utan elektriskt motstånd, men det sker bara under en viss temperatur, den så kallade kritiska temperaturen. Om den temperaturen kan höjas fungerar det supraledande tillståndet under mindre restriktiva förhållanden.

Vakuum brukar ses som bara ett tomt rum, men inom kvantfysiken är det inte riktigt så enkelt. Även i ett tillstånd med så låg energi som möjligt finns så kallade vakuumfluktuationer, där virtuella partiklar hela tiden skapas och förintas. (Virtuella partiklar är benämningen på en partikel som inte kan påvisas med en partikeldetektor men vars existens har mätbara effekter.)

Effekten av sådana fluktuationer är vanligtvis för svaga för att ge tydligt observerbara effekter i makroskopiska system. Nu har en internationell forskargrupp visat att vakuumfluktuationer kan användas för att förstärka supraledning.

Den kritiska temperaturen ökade

I en ny studie publicerad i Nature använde forskarna NbSe2, ett material som kan bli supraledande vid låga temperaturer. Det här materialet placerades i en särskild terahertzresonator, en så kallad mörk kavitet, som förändrar den elektromagnetiska miljön runt materialet på ett sätt som förstärker vakuumfluktuationerna.

Resultaten visar att den kritiska temperaturen för supraledning ökar. I ett prov bestående av sex lager av NbSe2 var ökningen som störst 5,4 procent. Även den kritiska strömmen, och det kritiska magnetfältet, ökade nära övergången till det supraledande tillståndet.

– Med vidare utveckling av kaviteternas struktur och de material som används kan vakuumfluktuationer på sikt ge större möjligheter att styra olika kvanttillstånd, säger Changgan Zeng, professor vid University of Science and Technology of China.

Teoretisk modell förklarar resultaten

Frank Wilczek har tillsammans med forskare vid Shanghai Jiao Tong University utvecklat en teoretisk modell för att förklara resultaten. Modellen föreslår att det supraledande tillståndet utbyter virtuella fotoner med kaviteten. Detta kan sänka energin hos det supraledande tillståndet och därmed förstärka supraledningen.

– Inom de flesta praktiska tillämpningar fungerar vakuum bara som en passiv scen där fenomenen utspelar sig. Det här arbetet visar att själva bakgrunden kan vara en aktör, som kan utformas för att förstärka supraledning och förändra hur kvantmateria beter sig, säger Frank Wilczek.

Om studien

Studien Evidence for vacuum-enhanced superconductivity in NbSe2 är publicerad i Nature