Vakum dalgalanmasıyla geliştirilmiş süperiletkenlik ilk kez gösterildi

Yayınlanan bir çalışmada Doğa 19 Ağustos’ta bir araştırma ekibi ilk kez vakum dalgalanmaları yoluyla süperiletkenliği geliştirdi. Başarı, maddenin kuantum durumlarının kontrol edilmesinde önemli bir ilerlemeye işaret ediyor.

Maddeden arınmış uzay gerçekten boş değildir. Boşluk boşluk değildir. Kuantum elektrodinamiğinde Heisenberg’in belirsizlik ilkesi, temel durumda bile sanal parçacıkların sürekli yaratılması ve yok edilmesiyle indirgenemez bir aktivitenin olduğunu ima eder.

Dolayısıyla boşluk, kuantum dalgalanmalarından oluşan dinamik bir “deniz” içerir. Kuzu kayması, kendiliğinden emisyon ve Casimir etkisi dahil olmak üzere pek çok ünlü olay, bunların varlığına dair ikna edici deneysel kanıtlar sağlıyor.

Casimir kontrolünden süper iletkenlere

Araştırma, Çin Bilimler Akademisi’nin Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden profesörler Zeng Changgan ve Cheng Guanghui tarafından yürütüldü ve aralarında Şangay Jiao Tong Üniversitesi’nden profesör Jiang Qingdong, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden profesör Frank Wilczek ve diğer işbirlikçileri de vardı.

Son yıllarda Zeng ve Cheng’in ekibi yoğun madde sistemlerindeki vakum dalgalanması etkilerine odaklandı. Daha önceki bir çalışmada ekip, vakum dalgalanmaları üzerinde doğrudan kontrol elde etti: Casimir kuvvetinin manyetik alan altında çekimden itmeye tersine çevrilebilir bir geçişi. Çalışma başka bir soruya ilham kaynağı oldu: Makroskobik kuantum durumlarını manipüle etmek için vakum dalgalanmalarından faydalanılabilir mi?

Bu deneysel çabaların yanı sıra Jiang’ın ekibi, maddenin hallerinin kuantum-vakum kontrolüne ilişkin teorik çalışmalar da yürüttü. Ekip, tasarlanmış vakum ortamlarının elektronik ve fotonik davranışları düzenlediği “vakumronik” kavramını öne sürdü ve böylece bu çalışmada bildirilen vakumla güçlendirilmiş süperiletkenlik mekanizmasının yorumlanması için teorik temeli attı.

Dalgalanmaları güçlendiren bir boşluk

Zeng, “Boş uzaydaki boşluk dalgalanmaları genellikle makroskobik yoğun madde sistemlerinde gözlemlenebilir etkiler yaratamayacak kadar zayıftır” dedi. “Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için terahertz ayrık halkalı rezonatörü tanıttık. Böyle karanlık bir boşluk, elektromanyetik ortamı yeniden şekillendirebilir ve vakum dalgalanmalarını önemli ölçüde artırabilir.”

Bu çalışmada Zeng ve Cheng’in ekibi süperiletken NbSe’yi yerleştirdi.₂ terahertz karanlık boşluğunda süper iletken-karanlık boşluk bağlantılı bir cihaz inşa ediyor. Ekip, boşluğun içindeki ve dışındaki süperiletkenliği sistematik olarak karşılaştırarak, NbSe’nin süperiletken kritik sıcaklığında önemli bir artış buldu.₂.

“Altı katmanlı bir NbSe’de kritik sıcaklığın %5,4’e kadar artabildiğini gözlemledik₂ Cheng, süperiletken geçişin yakınında kritik akım ve kritik manyetik alanın önemli ölçüde arttığını belirtti. “Bu, vakum dalgalanmasıyla güçlendirilmiş süperiletkenliğin ilk deneysel gözlemini temsil ediyor.”

Kanıtlar rezonans etkisine işaret ediyor

Süper iletkenlik artışının kökenini açıklığa kavuşturmak için ekip, boşluk geometrisi ve karakteristik frekans, malzeme kalınlığı, dielektrik malzemeler ve metalik şeritler dahil olmak üzere birçok parametre üzerinde sistematik kontrol deneyleri gerçekleştirdi. Bu deneyler, gerinim, malzeme bozulması, homojen olmama ve metalik tarama etkileri gibi önemsiz faktörleri etkili bir şekilde dışladı.

Özellikle süperiletkenlik artışı, karanlık boşluğun karakteristik frekansına rezonans zirvesine benzer bir bağımlılık sergiledi. Zeng, “Boşluğun fotonik özelliklerine yakından bağlı olan bu sonuç, süper iletken durum ile karanlık boşluk modları arasındaki bağlantıya dair güçlü deneysel kanıtlar sağlıyor” dedi.

Sanal fotonlar enerjiyi düşürür

Dahası, Jiang’ın ekibi ve Wilczek teorik modeli ortaklaşa geliştirdiler ve altta yatan mekanizmayı yorumladılar. Ginzburg-Landau çerçevesinde, süper iletken durumun karanlık boşlukla sanal foton alışverişi yaptığını, süper iletken durumun enerjisini düşürdüğünü ve dolayısıyla süper iletkenliği güçlendirdiğini öne sürdüler.

“Boşluk modunun karakteristik enerjisi, düşük enerjili süper iletken dalgalanmalarla eşleştiğinde, NbSe₂ Jiang, cihazın süperiletkenlik artışında zirveyi üreten rezonans artışı sergilediğini söyledi.

Wilczek, “Pratik fiziğin çoğunda, boşluk yalnızca olayların gerçekleştiği pasif bir aşama olarak hizmet ediyor. Bu çalışma, arka planın kendisinin süperiletkenliği güçlendirmek ve kuantum maddenin davranışını yeniden şekillendirmek için tasarlanmış bir aktör haline gelebileceğini gösteriyor” dedi.

Kuantum durumlarının temassız kontrolü

Bu çalışma, harici bir tahrik olmadan süperiletkenliği noninvaziv bir şekilde arttırmak için boşluk mühendisliği ile tasarlanmış vakum dalgalanmalarını kullanmaktadır. Bu yaklaşım, maddenin kuantum halleri için temassız bir kontrol düğmesi sunar. Zeng, “Boşluk yapılarının ve malzeme sistemlerinin daha da optimize edilmesiyle, vakum-dalgalanma bağlantısı, kuantum durumlarının daha belirgin ve yaygın olarak uygulanabilir kontrolünü sağlayabilir” dedi.