Riassunto:
Ricercatori dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, dell'Accademia cinese delle scienze, dell'Università Jiao Tong di Shanghai, del MIT e di altre istituzioni hanno fatto nuovi progressi nella ricerca sui superconduttori. Hanno utilizzato una "cavità oscura" terahertz appositamente progettata per potenziare artificialmente le fluttuazioni del vuoto quantistico originariamente estremamente deboli e per la prima volta hanno osservato sperimentalmente che questa fluttuazione del vuoto può migliorare le proprietà superconduttrici. I risultati della ricerca mostrano che in determinate condizioni, la temperatura critica superconduttiva di un dispositivo di diseleniuro di niobio (NbSe₂) a sei strati può essere aumentata fino al 5,4%, mentre anche la corrente critica e il campo magnetico critico sono significativamente migliorati.
Questa ricerca è stata completata dal team di Zeng Changgan e Cheng Guanghui dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina e dal team di Jiang Qingdong dell'Università Jiao Tong di Shanghai. Hanno partecipato anche ricercatori come Frank Wilczek, fisico del Massachusetts Institute of Technology e vincitore del Premio Nobel per la fisica. Il relativo articolo è stato pubblicato sulla rivista "Nature".
Nel concetto di fisica classica, il vuoto è solitamente considerato uno spazio senza materia, ma la meccanica quantistica dà una risposta completamente diversa. Secondo l’elettrodinamica quantistica e il principio di indeterminazione di Heisenberg, anche nello stato energetico più basso ci sono ancora fluttuazioni quantistiche nello spazio che non possono essere completamente eliminate. Le particelle virtuali continueranno a essere prodotte e annientate, così che il cosiddetto "niente" è in realtà sempre in uno stato di attività microscopica.
La fluttuazione quantistica del vuoto non è un concetto puramente teorico. La sua esistenza è stata verificata attraverso fenomeni sperimentali come lo spostamento di Lamb, l'emissione spontanea e l'effetto Casimir. Tuttavia, in condizioni normali, l’effetto delle fluttuazioni del vuoto è solitamente molto debole ed è difficile influenzare direttamente la materia condensata su macroscala.
Il gruppo di ricerca ha già esplorato come controllare questa fluttuazione del vuoto quantistico. Il team di Zeng Changgan e Cheng Guanghui aveva precedentemente utilizzato i campi magnetici per regolare in modo reversibile la forza di Casimir, permettendole di passare dalla forza attrattiva a quella repulsiva. Questo lavoro solleva ulteriormente la domanda: se le fluttuazioni del vuoto possono essere manipolate attivamente, questo effetto quantistico apparentemente debole può essere utilizzato anche per controllare gli stati quantistici macroscopici?
Allo stesso tempo, il team di Jiang Qingdong ha studiato come il vuoto quantistico influenza lo stato della materia da una prospettiva teorica e ha proposto il concetto di "vacuumronics", che consiste nel regolare il comportamento di elettroni e fotoni progettando artificialmente un ambiente di vuoto. Questo esperimento superconduttore fornisce nuove basi sperimentali per questa idea teorica.
I ricercatori sottolineano che le fluttuazioni del vuoto nello spazio libero ordinario sono solitamente troppo deboli per avere un impatto significativo sui sistemi di materia condensata macroscopici. Per risolvere questo problema, hanno progettato un risonatore ad anello diviso terahertz, una cosiddetta "cavità oscura". Questa speciale cavità può modificare l'ambiente elettromagnetico circostante e aumentare significativamente le fluttuazioni del vuoto.
I ricercatori hanno quindi posizionato il materiale superconduttore NbSe₂ all'interno della cavità buia terahertz, hanno costruito un dispositivo che accoppiava il superconduttore alla cavità buia e lo hanno confrontato con materiali simili all'esterno della cavità. I risultati sperimentali mostrano che dopo essere entrati nella cavità buia, la temperatura critica superconduttiva di NbSe₂ aumenta significativamente. Nel dispositivo NbSe₂ a sei strati, la temperatura critica è aumentata fino al 5,4%. Allo stesso tempo, anche la corrente critica e il campo magnetico critico sono aumentati significativamente in prossimità della transizione superconduttiva.
La temperatura critica dei superconduttori è un indicatore importante per giudicare le prestazioni dei materiali superconduttori. Solo quando la temperatura del materiale scende al di sotto di questo valore critico può entrare nello stato superconduttore. Un aumento della temperatura critica significa che il materiale può rimanere superconduttore a una temperatura più elevata, mentre un aumento della corrente critica e del campo magnetico critico significa che lo stato superconduttore può resistere a correnti e campi magnetici maggiori.
Per confermare che questo miglioramento non era causato da altri fattori fisici ordinari, i ricercatori hanno condotto un gran numero di esperimenti controllati. Hanno cambiato sistematicamente la geometria e la frequenza caratteristica della cavità oscura, modificando parametri come lo spessore del materiale, il materiale dielettrico e la struttura della striscia metallica. I risultati sperimentali escludono fattori quali deformazione, degrado del materiale, disomogeneità del materiale e schermatura metallica come ragioni principali.
La prova più critica proviene dai cambiamenti nella frequenza caratteristica della cavità oscura. Quando i ricercatori hanno cambiato la frequenza caratteristica della cavità oscura, l’effetto di potenziamento superconduttore non è semplicemente cambiato con la frequenza, ma ha mostrato un evidente picco. Quando la frequenza caratteristica della cavità raggiunge un intervallo specifico, le prestazioni del superconduttore risultano maggiormente migliorate.
I ricercatori ritengono che questo comportamento di picco, che è strettamente correlato alle proprietà ottiche della cavità, sia un'importante base sperimentale per l'accoppiamento tra lo stato superconduttore e la modalità della cavità oscura. In altre parole, i risultati della ricerca non mostrano semplicemente che "mettere un materiale superconduttore in una cavità speciale lo renderà più forte", ma mostrano che esiste un'interazione con caratteristiche di risonanza tra lo stato superconduttore e specifici modi elettromagnetici nella cavità.
Per spiegare ulteriormente il fenomeno sperimentale, il team di Jiang Qingdong, Wilczek e altri hanno stabilito un modello teorico. Hanno utilizzato il quadro teorico Ginzburg-Landau per proporre che lo stato superconduttore possa interagire con la cavità oscura attraverso fotoni virtuali. Questa interazione può ridurre l'energia dello stato superconduttore, rendendolo così più stabile e, in definitiva, migliorando le proprietà superconduttrici.
Quando l'energia caratteristica della modalità cavità oscura corrisponde alla fluttuazione a bassa energia nel sistema superconduttore, l'accoppiamento tra i due raggiunge uno stato di risonanza, quindi nell'esperimento appare il picco dell'effetto di potenziamento superconduttore.
La cosa più speciale di questo studio è che i ricercatori non hanno migliorato la superconduttività attraverso la guida esterna nel senso tradizionale, ma hanno ottenuto il controllo modificando l'ambiente del vuoto quantistico in cui si trova il materiale. In altre parole, il vuoto stesso non è più solo uno sfondo passivo che ospita fenomeni fisici, ma può diventare uno strumento attivo per influenzare lo stato quantistico della materia attraverso cavità attentamente progettate.
I ricercatori hanno affermato che questo metodo fornisce un nuovo modo per controllare i materiali quantistici in modo senza contatto. Invece di applicare direttamente campi elettrici esterni, campi magnetici o altri metodi di guida, i ricercatori modificano principalmente l’ambiente di vuoto elettromagnetico attorno al materiale progettando la struttura della cavità, influenzando così lo stato superconduttore.
Se la struttura della cavità oscura e il sistema materiale utilizzato potranno essere ulteriormente ottimizzati in futuro, l'accoppiamento tra fluttuazioni del vuoto e materiali quantistici potrebbe essere ulteriormente migliorato e si prevede che venga esteso a più tipi di stati quantistici e materiali quantistici.
Questa ricerca significa anche che il modo in cui gli esseri umani utilizzano il "vuoto" potrebbe cambiare. In passato, il vuoto era considerato più come un ambiente che doveva eliminare le interferenze negli esperimenti, ma lo sviluppo della fisica quantistica ha dimostrato che il vuoto non è realmente "nulla". Questo esperimento mostra inoltre che, progettando artificialmente un ambiente di vuoto, le fluttuazioni quantistiche originariamente deboli possono persino essere trasformate in uno strumento per la regolazione dei materiali quantistici macroscopici, fornendo una nuova direzione di esplorazione per la futura tecnologia dei superconduttori e la ricerca sui materiali quantistici.
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