Die Festigkeit eines Supraleiters wurde gesteigert, indem sein Vakuum mit Quantenenergie gefüllt wurde.

Forscher haben eine Methode entdeckt, um die Festigkeit von Supraleitern zu erhöhen, indem sie das auszunutzen scheinen, was man bisher als Leere des Weltraums ansah. Diese Leere erweist sich jedoch als alles andere als leer und vibriert mit Quantenfluktuationen, die nun genutzt werden können, um den Punkt zu erhöhen, an dem ein Material anfängt, wie ein Supraleiter zu wirken.

Ein Team der University of Science and Technology of China der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, unter der Leitung von Prof. Changgan Zeng und Guanghui Cheng, veröffentlichte seine Ergebnisse in Nature. Ihre Arbeit weist auf einen neuen Ansatz zur Manipulation von Quantenmaterialien hin, ohne sie physisch zu berühren.

Was als Leerer Raum zählt

Ein Vakuum wird üblicherweise als nichts betrachtet – als bloße Leere. Aber die Quantenphysik ist mit diesem Bild nicht einverstanden. Die Prinzipien der Quantenelektrodynamik und des Heisenbergsche’n Unschärfeprinzip sagen aus, dass selbst der niedrigste Energiezustand niemals vollständig still ist. Stattdessen tauchen virtuelle Teilchen immer wieder auf und verschwinden wieder, wodurch ein ständiger Hintergrund von Quantenfluktuationen entsteht.

Vakuumfluktuationen sind mehr als abstrakte Ideen. Sie treten in realen Effekten auf, darunter die Lamb-Verschiebung, die spontane Emission und der Casimir-Effekt. Zeng und Chengs Forschungsgruppen haben mehrere Jahre damit verbracht, zu untersuchen, wie diese Quantenfluktuationen Systeme der Kondensationsmaterie beeinflussen.

Eine frühere Untersuchung zeigte, dass Forscher Vakuumfluktuationen direkt durch ein Magnetfeld verändern können, wodurch die Casimir-Kraft zwischen Anziehung und Abstoßung verändert werden kann, und zwar auf eine Weise, die umgekehrt werden kann. Diese Erkenntnis führte zu einer breiteren Anfrage: Können Quantenvakuumfluktuationen auch als Mittel zur Steuerung makroskopischer Quantenzustände dienen?

Der Trick mit der Dunkelkammer

Um diese Frage zu beantworten, bauten die Forscher eine spezielle Aufstellung. Prof. Qingdongs Jiangs Gruppe näherte sich dem Problem aus einer theoretischen Perspektive und untersuchte, wie konstruierte Quantenvakuumumgebungen verschiedene Zustände der Materie beeinflussen können. Jiangs Team führte das Konzept der „Vakuumtronik“ ein, bei der speziell gestaltete Vakuumumgebungen verwendet werden, um das elektronische und photonische Verhalten zu steuern.

Die Experimentatoren folgten mit einem physikalischen Werkzeug. „Vakuumfluktuationen im freien Raum sind im Allgemeinen zu schwach, um beobachtbare Effekte in makroskopischen kondensierten-Materie-Systemen hervorzurufen“, sagte Prof. Zeng. „Um diese Einschränkung zu überwinden, führten wir einen Terahertz-Split-Ring-Resonator ein. Ein solches dunkles Kavitätsresonator kann die elektromagnetische Umgebung umformen und Vakuumfluktuationen erheblich verstärken.“

Testen der Kavität

Eine Terahertz-Dunkelkavität wurde verwendet, um den Supraleiter NbSe2 zu halten, wodurch ein Aufbau entstand, bei dem die Supraleitfähigkeit des Materials mit der speziell gefertigten elektromagnetischen Umgebung innerhalb der Kavität in Wechselwirkung treten konnte. Die Wissenschaftler testeten dann, wie sich die supraleitende Leistung von NbSe2 änderte, wenn es sich innerhalb der Kavität befand, verglichen mit dem Zustand außerhalb davon.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Platzierung von NbSe2 in der Kavität seine supraleitende Sprungtemperatur deutlich erhöhte, die Temperatur unterhalb derer das Material in seinen supraleitenden Zustand eintritt. „Wir beobachteten, dass die Sprungtemperatur in einem sechs-lagigen NbSe2-Gerät um bis zu 5,4 % ansteigen kann, während der Sprungstrom und das kritische Magnetfeld in der Nähe des supraleitenden Übergangs deutlich verstärkt werden“, sagte Prof. Cheng. „Dies stellt die erste experimentelle Beobachtung einer durch Vakuumfluktuationen verstärkten Supraleitfähigkeit dar.“

Ausschluss anderer Erklärungen

Um zu testen, ob der beobachtete Effekt von gewöhnlichen Veränderungen des Materials herrührte, führte das Team eine Reihe von Kontrollversuchen durch. Sie änderten die Kavitätsgeometrie, die charakteristische Frequenz, die Materialstärken, die dielektrischen Materialien und die metallischen Streifen. Diese Ergebnisse ermöglichten es ihnen, Spannungen, Materialabbau, Inhomogenität und metallische Abschirmungseffekte als mögliche Erklärungen auszuschließen.

Eine der stärksten Hinweise lieferte das Verhältnis zwischen der Verstärkung der Supraleitfähigkeit und der charakteristischen Frequenz der Dunkelkavität. Anstatt sich gleichmäßig zu ändern, zeigte die Verstärkung einen resonanzartigen Peak bei einer bestimmten Frequenz. „Dieses Ergebnis, das eng mit den photonischen Eigenschaften der Kavität verbunden ist, liefert starke experimentelle Beweise für die Kopplung zwischen dem supraleitenden Zustand und den Dunkelkavitätsmoden“, sagte Prof. Zeng.

Die virtuelle Photon Erklärung)

Jiangs Team arbeitete zusammen mit Prof. Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology, um ein theoretisches Modell zu entwickeln, das das beobachtete Verhalten erklärt. Das Modell stützt sich auf den Ginzburg-Landau-Rahmen und schlägt vor, dass der supraleitende Zustand virtuelle Photonen mit der dunklen Kavität austauscht. Dieser Austausch reduziert die Energie des supraleitenden Zustands, was den Zustand stabiler und stärker macht.

Prof. Jiang zitierte: „Wenn die charakteristische Energie des Kavitätsmodus mit den niederenergetischen supraleitenden Schwankungen übereinstimmte, zeigte das NbSe2-Gerät eine resonante Verstärkung, was den Peak der Supraleitungsverstärkung hervorbrachte“, wobei er darauf hinwies, dass es sich um ein Zitat aus seinen Bemerkungen handelte.

„In den meisten praktischen physikalischen Anwendungen dient das Vakuum lediglich als passive Bühne, auf der Phänomene ablaufen. Diese Arbeit zeigt, dass der Hintergrund selbst zu einem Akteur werden kann – der so gestaltet ist, dass er die Supraleitung verstärkt und das Verhalten von Quantenmaterie umgestaltet“, sagte Prof. Wilczek.

Eine Neue Rolle für das Vakuum)

Dieser Befund verändert die Art und Weise, wie Physiker das Vakuum normalerweise betrachten. Anstatt lediglich eine leere Umgebung bereitzustellen, kann das Quantenvakuum potenziell so geformt werden, dass es das Verhalten der Materie beeinflusst.

Die Methode stärkt die Supraleitung indirekt, ohne das Material selbst zu beeinflussen. Stattdessen wird das Vakuum als ein aktives Steuerungsinstrument und nicht als eine einfache Umgebung behandelt. Diese Veränderung schafft einen neuen Weg für die Steuerung seltsamer Zustände der Materie.

Nature veröffentlichte die Arbeit, und wer die Daten und Modelle hinter den Behauptungen einsehen möchte, kann alle Details dort finden. Die Forscher haben gezeigt, dass der leere Raum nicht nur eine leere Leinwand ist – er enthält Energie und Informationen, und jetzt wissen Wissenschaftler, wie sie diese nutzen können.

Kennzahlen-Box)

• Studie veröffentlicht in Nature)
• Leitung von Prof. Changgan Zeng und Prof. Guanghui Cheng, Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas der Chinesischen Akademie der Wissenschaften)
• Zu den Mitarbeitern gehören Prof. Qingdong Jiang von der Shanghai Jiao Tong University und Prof. Frank Wilczek vom MIT)
• Material verwendet: NbSe2 (sechs Schichten)
• Erhöhung der Sprungtemperatur: bis zu 5,4 %
• Verbesserung festgestellt bei kritischem Strom und kritischem Magnetfeld nahe der supraleitenden Übergangstemperatur
• Theoretischer Rahmen: Ginzburg-Landau-Modell

Dies ist eine Demonstration einer Idee und kein fertiges Produkt zum Verkauf. Dennoch hat die Entdeckung einiges an Gewicht. Der Raum selbst ist nicht leer – er kann geformt werden, und diese Formung verändert, wie Material wirkt. Es ist eine eindrucksvolle Lektion, die aus dem gewonnen wird, was jeder für nichts hielt.

Quellenmaterial: “Scientists just made a superconductor stronger using “empty space”,” ScienceDaily.