研究人员将真空环境变成超导工具 量子真空涨落可使超导性能提升5.4%

中国科学技术大学、中国科学院以及上海交通大学、麻省理工学院等机构的研究人员取得一项新的超导研究进展。他们利用一种经过特殊设计的太赫兹“暗腔”，人为增强原本极其微弱的量子真空涨落，并首次在实验中观察到这种真空涨落能够增强超导性能。研究结果显示，在特定条件下，六层厚度的二硒化铌（NbSe₂）器件超导临界温度最高可以提高5.4%，同时临界电流和临界磁场也得到明显增强。

这项研究由中国科学技术大学的曾长淦、程光辉团队与上海交通大学蒋清东团队合作完成，美国麻省理工学院物理学家、诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克等研究人员也参与其中，相关论文已发表于《自然》杂志。

在经典物理学概念中，真空通常被认为是没有物质存在的空间，但量子力学给出的答案完全不同。根据量子电动力学以及海森堡不确定性原理，即使处于最低能量状态，空间中仍然存在无法彻底消除的量子涨落。虚粒子会不断产生和湮灭，使所谓的“空无一物”实际上始终处于微观活动状态。

量子真空涨落并不是纯粹的理论概念，其存在已经通过兰姆位移、自发辐射和卡西米尔效应等实验现象得到验证。不过，在普通条件下，真空涨落的作用通常非常微弱，很难直接影响宏观尺度上的凝聚态物质。

研究团队此前一直在探索如何控制这种量子真空涨落。曾长淦和程光辉团队此前曾利用磁场实现对卡西米尔力的可逆调节，使其能够在吸引力和排斥力之间转换。这项工作进一步提出了一个问题：如果能够主动操控真空涨落，那么这种看似微弱的量子效应是否也能够被用来控制宏观量子态？

与此同时，蒋清东团队从理论角度研究了量子真空如何影响物质状态，并提出了“真空电子学”（vacuumronics）的概念，即通过人为设计真空环境来调节电子和光子的行为。此次超导实验则为这一理论思路提供了新的实验依据。

研究人员指出，普通自由空间中的真空涨落通常太弱，无法对宏观凝聚态体系产生明显影响。为了解决这一问题，他们设计了一种太赫兹分裂环谐振器，也就是所谓的“暗腔”。这种特殊腔体能够改变周围的电磁环境，并显著增强真空涨落。

研究人员随后将超导材料NbSe₂放置在太赫兹暗腔内部，构建出一个超导体与暗腔耦合的器件，并将其与腔体之外的同类材料进行对照。实验结果显示，进入暗腔之后，NbSe₂的超导临界温度明显提高。在六层NbSe₂器件中，临界温度最高提升5.4%，同时在超导转变附近，临界电流和临界磁场也出现明显增强。

超导临界温度是判断超导材料性能的重要指标，材料温度低于这一临界值后才能进入超导状态。临界温度提高意味着材料可以在更高温度下保持超导，而临界电流和临界磁场的提高，则意味着超导状态能够承受更大的电流和磁场。

为了确认这种增强并非由其他普通物理因素造成，研究人员进行了大量对照实验。他们系统改变了暗腔的几何结构和特征频率，同时改变材料厚度、介电材料以及金属条结构等参数。实验结果排除了应变、材料退化、材料不均匀性以及金属屏蔽等因素作为主要原因。

其中最关键的证据来自暗腔特征频率的变化。当研究人员改变暗腔的特征频率时，超导增强效果并不是简单地随频率变化，而是呈现出明显的峰值。当腔体的特征频率达到特定范围时，超导性能增强最为明显。

研究人员认为，这种与腔体光学性质密切相关的峰值行为，是超导状态与暗腔模式发生耦合的重要实验依据。换句话说，研究结果并不是简单地表明“把超导材料放进一个特殊腔体就会变强”，而是显示超导态与腔体中的特定电磁模式之间存在具有共振特征的相互作用。

为了进一步解释实验现象，蒋清东团队与维尔切克等人建立了理论模型。他们利用金兹堡-朗道理论框架提出，超导状态可以通过虚光子与暗腔发生相互作用。这种相互作用能够降低超导状态的能量，从而使超导状态更加稳定，并最终增强超导性能。

当暗腔模式的特征能量与超导体系中的低能涨落相匹配时，两者之间的耦合达到共振状态，因此实验中出现了超导增强效果的峰值。

这项研究最特别之处在于，研究人员并没有通过传统意义上的外部驱动方式增强超导性，而是通过改变材料所处的量子真空环境实现了调控。也就是说，真空本身不再只是承载物理现象的被动背景，而可以通过精心设计的腔体成为影响物质量子状态的主动工具。

研究人员表示，这种方法提供了一种非接触式调控量子材料的新途径。与直接施加外部电场、磁场或其他驱动方式不同，研究人员主要通过设计腔体结构改变材料周围的电磁真空环境，从而影响超导状态。

如果未来能够进一步优化暗腔结构以及所使用的材料体系，真空涨落与量子材料之间的耦合可能得到进一步增强，并有望扩展到更多类型的量子态和量子材料。

这项研究也意味着，人类对“真空”的利用方式可能正在发生变化。过去真空更多被视为实验中需要排除干扰的环境，而量子物理的发展已经证明，真空并非真正意义上的“什么都没有”。此次实验进一步表明，通过人为设计真空环境，原本微弱的量子涨落甚至可以被转化为调控宏观量子材料的工具，为未来超导技术以及量子材料研究提供了一条新的探索方向。