Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Zeng Changgan und dem Tenure-Track-Professor Cheng Guanghui von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas (USTC) hat in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern erstmals die Verstärkung der Supraleitung durch Vakuumfluktuationen mittels eines „dunklen Hohlraums“ realisiert. Die Forschungsergebnisse wurden am 19. August in Nature veröffentlicht.
In der Welt der Quantenelektrodynamik ist das Vakuum nicht leer, sondern von der ständigen Erzeugung und Vernichtung virtueller Teilchen begleitet, wie ein dynamischer „Ozean“ voller Vakuumfluktuationen. Allerdings sind Vakuumfluktuationen im freien Raum in der Regel zu schwach, um beobachtbare Auswirkungen auf makroskopische kondensierte Materiesysteme zu haben. Wie man sie in eine Ressource zur Steuerung von Quantenzuständen umwandeln kann, ist ein wichtiges Thema an der Schnittstelle von kondensierter Materiephysik und Hohlraum-Quantenelektrodynamik.
Das Team von Zeng Changgan hatte zuvor die Steuerung der Effekte von Vakuumfluktuationen selbst durchgeführt und eine reversible Umwandlung der Casimir-Kraft von Anziehung zu Abstoßung realisiert. Dies inspirierte das Team zu der weiteren Überlegung: Können Vakuumfluktuationen genutzt werden, um eine kontrollierte Steuerung makroskopischer Quantenzustände zu erreichen? Zu diesem Zweck führte das Forschungsteam einen aus Terahertz-Spaltringresonatoren bestehenden „dunklen Hohlraum“ ein, der die Vakuumfluktuationen durch die Umgestaltung der elektromagnetischen Umgebung signifikant verstärkt. Das Forschungsteam bettete den Supraleiter Niobdiselenid in den dunklen Hohlraum ein und stellte fest, dass die supraleitende kritische Temperatur von Niobdiselenid im dunklen Hohlraum wesentlich erhöht wurde. Bei einem Bauelement aus sechs Lagen Niobdiselenid wurde die kritische Temperatur um bis zu 5,4 % erhöht. Gleichzeitig wurden auch der kritische Strom und das kritische Magnetfeld des Supraleiters in der Nähe des supraleitenden Übergangs signifikant verstärkt. Dies ist die weltweit erste experimentelle Beobachtung einer durch Vakuumfluktuationen verstärkten Supraleitung.
Durch strenge Kontrollexperimente schloss das Team konventionelle Faktoren wie Dehnung, Degradation und Inhomogenität aus. Insbesondere zeigte das Experiment, dass der supraleitende Verstärkungseffekt eine resonante Peakenabhängigkeit von der charakteristischen Frequenz des dunklen Hohlraums aufweist, was einen entscheidenden Beleg für die Kopplung zwischen dem supraleitenden Zustand und dem dunklen Hohlraum liefert.
Die Forscher gaben an, dass diese Studie durch die Technik der Hohlraum-Ingenieurstechnik von Vakuumfluktuationen eine antriebslose, berührungslose Verstärkung des supraleitenden stationären Zustands erreicht hat und neue Denkansätze für die Erforschung supraleitender Mechanismen und das Design neuartiger supraleitender Bauelemente bietet. Dieser neuartige „berührungslose Drehknopf“ könnte breite Anwendung bei der Steuerung von Quantenzuständen finden.