无需照光：量子涨落也能影响超导表现

量子力学告诉我们，空间中充满了电磁场；即使没有光的情况下，电磁场也会呈现微小且不可避免的涨落。这些涨落被称为量子（或真空）涨落。

在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一个研究团队首次通过实验证实了一种长期停留在理论层面的可能性：仅凭二维材料原子级薄层内部真空中的量子涨落，就能够改变附近一块更大晶体的性质。他们将一片纳米尺度的六方氮化硼（hBN）薄片放在在有机超导材料κ-ET之上；在未加入任何激光或外部驱动力的情况下，κ-ET的超导性被强烈抑制。

不同寻常的光学腔

在超导材料中，当温度低于临界温度时，电流就可以无电阻流动。然而，这种量子态对外部条件极其敏感：温度变化、外加磁场，甚至照明，都可能削弱或增强它。

在新的研究中，研究团队想知道，由光学腔调控的光-物质相互作用，是否也能改变超导态。光学腔是一种“捕光”装置，通过将光限制在其中，就可以增强光与邻近材料之间的有效相互作用，从而改变该材料的性质。

研究人员构建了一种不同寻常的光学腔。与两面镜子相对的传统结构不同，这个空腔是由hBN薄片制成，它覆盖在超导体表面，起到“封顶”的作用。

hBN属于范德华材料，其典型特征是层状结构。正是这种结构使hBN具有各向异性：光在层内平面中的传播方式不同于在平面外的传播方式。在特定波长下，hBN的各向异性会使光以一种高度受限的模式传播，这类模式称为双曲模式。这意味着，hBN可以将具有特定能量的电磁场限制在极小体积中。在如此强的约束下，即便微弱的量子真空涨落也能被放大，从而使邻近材料对处在hBN双曲模式能量尺度上的微扰变得异常敏感。

实验证据

在新实验中，光学腔邻近的材料就是κ-ET。κ-ET是一种当被冷却至11.5开尔文时，便会转变为超导态的有机超导材料。κ-ET中存在一种发生在两个碳原子之间（C=C）的分子振动，被称为C=C伸缩模式，长期以来被认为为可能与其超导态相关。C=C振动的频率位于红外范围，并与hBN的双曲模式重叠，因而满足共振条件。

研究人员通过一种名为扫描近场光学显微镜（SNOM）的测量技术在实验上证明：C=C分子振动会与hBN的双曲模式发生杂化。但SNOM属于依赖光子的光学工具，而光子本身也可能改变材料。为了证明仅凭量子涨落本身究竟能做到什么，研究人员需要找到一种在黑暗中工作的方法——他们使用了一台低温磁力显微镜（MFM）。

MFM以很高的空间分辨率定量测量κ-ET中的迈斯纳效应。当一种材料进入超导态时，外部磁场会被排斥出材料，这一现象就被称为迈斯纳效应。这种效应的强度取决于参与超导的电子密度，即超流密度。研究人员发现，光学腔的存在，会使κ-ET中的超流密度被强烈抑制——在靠近光学腔界面的区域，超流密度最多下降了50%。

研究人员表示，MFM实验的结果好到令人难以置信：真空涨落极其微弱，但观测到的效应却非常巨大——在κ-ET中，超导性被抑制的范围几乎达到1/2微米——是所用hBN薄片宽度的10倍。

重塑材料性质

或许这项工作最令人兴奋的部分仍在后面。如果一个共振光学腔能够通过重塑某一特定振动的涨落来抑制超导性，那么另一种光学腔设计也许就能通过把这些涨落推向相反方向来增强超导性。

无论如何，这项工作传递出一条重要信息：即使在黑暗中，改变材料周围的电磁场，也能导致其性质发生广泛改变。

#参考来源：

https://quantum.columbia.edu/news/matching-vibrations-all-it-takes-modify-materials

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00296-3

https://physicsworld.com/a/dark-optical-cavity-alters-superconductivity/

https://www.nature.com/articles/s41586-025-10062-6

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封面图&首图：Ella Maru Studio