استخدم الباحثون تجويفًا مصممًا خصيصًا لتقوية تقلبات الفراغ الكمي وتعزيز الموصلية الفائقة في مادة رقيقة.
المساحة الفارغة ليست فارغة حقًا. وحتى الفراغ يحتوي على تقلبات كمية مضطربة، وقد أظهر الباحثون الآن ولأول مرة أن هذه التأثيرات الدقيقة عادة يمكن تصميمها لتعزيز الموصلية الفائقة.
تم نشر هذا العمل، بقيادة تشانغجان تسنغ وجوانغوي تشنغ من جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية التابعة للأكاديمية الصينية للعلوم، مع تشينغ دونغ جيانغ من جامعة شنغهاي جياو تونغ، وفرانك ويلتشيك من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ومتعاونين آخرين، في طبيعة.
في الديناميكا الكهربائية الكمومية، يعني مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ أنه حتى أدنى حالة طاقة تحتفظ بنشاط لا مفر منه حيث تظهر الجسيمات الافتراضية وتختفي باستمرار. هذه التقلبات الكمومية تملأ ما قد يبدو وكأنه مساحة فارغة. يتم دعم وجودها تجريبيًا من خلال تأثيرات معروفة بما في ذلك انزياح لامب، والانبعاث التلقائي، وتأثير كازيمير.
أمضى تسنغ وتشينغ السنوات الأخيرة في دراسة كيفية تأثير تقلبات الفراغ هذه على أنظمة المادة المكثفة. في دراسة سابقةتمكن فريقهم من التحكم بشكل مباشر في تقلبات الفراغ باستخدام مجال مغناطيسي لتحويل قوة كازيمير من الجذب إلى التنافر بشكل عكسي. أثارت هذه النتيجة سؤالًا أكبر: هل يمكن أيضًا استخدام تقلبات الفراغ لمعالجة الحالات الكمومية العيانية؟
بالتوازي، اكتشف فريق جيانغ نظريًا كيف يمكن للفراغ الكمي أن يتحكم في حالات المادة. لقد طرحوا فكرة “الإلكترونيات الفراغية”، حيث تعمل البيئات الفراغية المصممة بشكل متعمد على تنظيم السلوكيات الإلكترونية والفوتونية. وقد وفر هذا العمل النظري إطارًا لفهم الموصلية الفائقة المعززة بالفراغ التي لوحظت في التجارب الجديدة.
قال البروفيسور تسنغ: “إن تقلبات الفراغ في الفضاء الحر عمومًا أضعف من أن تنتج تأثيرات ملحوظة في أنظمة المادة المكثفة العيانية”. “للتغلب على هذا القيد، قمنا بتقديم مرنان تيراهيرتز ذو حلقة مقسمة. مثل هذا التجويف المظلم يمكن أن يعيد تشكيل البيئة الكهرومغناطيسية ويضخم تقلبات الفراغ بشكل كبير.”
عزز التجويف الموصلية الفائقة
ولاختبار ما إذا كانت تلك التقلبات المتضخمة يمكن أن تؤثر على الموصلية الفائقة، قام فريق تسنغ وتشينغ بوضع الموصل الفائق NbSe2 داخل تجويف تيراهيرتز المظلم، مما يؤدي إلى إنشاء جهاز موصل فائق التوصيل-تجويف مظلم. كشفت مقارنة المادة داخل وخارج التجويف عن زيادة كبيرة في درجة حرارتها الحرجة فائقة التوصيل، وهي درجة الحرارة التي تصبح تحتها فائقة التوصيل.
“لقد لاحظنا أن درجة الحرارة الحرجة يمكن أن تزيد بنسبة تصل إلى 5.4% في طبقة NbSe المكونة من ست طبقات2 وقال البروفيسور تشينغ: “يمثل هذا الجهاز أول مراقبة تجريبية للموصلية الفائقة المعززة بتقلب الفراغ”.
الرنين يقوي الارتباط بتقلبات الفراغ
قام الباحثون بعد ذلك باختبار ما إذا كان المزيد من التأثيرات العادية يمكن أن يفسر هذا التحسين. لقد تنوعوا بشكل منهجي في هندسة التجويف والتردد المميز، وسمك المواد، والمواد العازلة، والشرائط المعدنية. استبعدت تجارب التحكم هذه بشكل فعال العوامل بما في ذلك الإجهاد، وتدهور المواد، وعدم التجانس، وتأثيرات الفحص المعدني.
ظهر دليل مهم بشكل خاص عندما أظهر تعزيز الموصلية الفائقة اعتماداً يشبه الذروة على التردد المميز للتجويف المظلم. قال البروفيسور تسنغ: “إن هذه النتيجة، المرتبطة بشكل وثيق بالخصائص الضوئية للتجويف، توفر دليلًا تجريبيًا قويًا على الاقتران بين حالة التوصيل الفائق وأنماط التجويف المظلم”.
كما طور فريق جيانغ وويلتشيك نموذجًا نظريًا لشرح كيفية نشوء التأثير. وباستخدام إطار جينزبورج-لانداو، اقترحوا أن تقوم حالة الموصلية الفائقة بتبادل الفوتونات الافتراضية مع التجويف المظلم. يؤدي هذا التفاعل إلى خفض طاقة حالة التوصيل الفائق، مما يؤدي بدوره إلى تقوية الموصلية الفائقة.
“عندما تطابقت الطاقة المميزة لوضع التجويف مع تقلبات الموصلية الفائقة منخفضة الطاقة، فإن NbSe2 قال البروفيسور جيانغ: “أظهر الجهاز تعزيزًا للرنين، مما أدى إلى ذروة تعزيز الموصلية الفائقة. “في معظم الفيزياء العملية، يعمل الفراغ فقط كمرحلة سلبية تحدث فيها الظواهر. وقال البروفيسور ويلتشيك: “يُظهر هذا العمل أن الخلفية نفسها يمكن أن تصبح فاعلاً، حيث تم تصميمها لتعزيز الموصلية الفائقة وإعادة تشكيل سلوك المادة الكمومية”.
يمكن أن يصبح الفراغ أداة تحكم
من خلال هندسة بيئة التجويف، عزز الباحثون الموصلية الفائقة دون تطبيق محرك خارجي، مما يوفر طريقة غير متصلة للتأثير على الحالات الكمومية للمادة. ويشير هذا النهج إلى أن البيئات الفراغية المصممة بعناية يمكن أن تصبح وسيلة أخرى للتحكم في المواد الكمومية.
قال البروفيسور تسنغ: “مع المزيد من التحسين لهياكل التجاويف وأنظمة المواد، قد يتيح اقتران تقلب الفراغ تحكمًا أكثر وضوحًا وقابل للتطبيق على نطاق واسع في الحالات الكمومية”.
المرجع: “دليل على الموصلية الفائقة المعززة بالفراغ في NbSe2” بقلم زيان وانغ، وغابرييل كاردوسو، وليو يانغ، وشون قونغ، وتشي تشانغ، ويوفي تشو، ودونغبو تشانغ، ونان بان، وهونغ بينغ كاي، ويونغ بي. طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-026-11037-x
لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
scitechdaily.com
