Resumen:
Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, la Academia China de Ciencias, la Universidad Jiao Tong de Shanghai, el MIT y otras instituciones han logrado nuevos avances en la investigación de superconductores. Utilizaron una "cavidad oscura" de terahercios especialmente diseñada para mejorar artificialmente las fluctuaciones del vacío cuánticas originalmente extremadamente débiles, y por primera vez observaron experimentalmente que esta fluctuación del vacío puede mejorar las propiedades superconductoras. Los resultados de la investigación muestran que, bajo determinadas condiciones, la temperatura crítica superconductora de un dispositivo de diseleniuro de niobio (NbSe₂) de seis capas de espesor se puede aumentar hasta un 5,4%, mientras que la corriente crítica y el campo magnético crítico también aumentan significativamente.
Esta investigación fue completada por el equipo de Zeng Changgan y Cheng Guanghui de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China y el equipo de Jiang Qingdong de la Universidad Jiao Tong de Shanghai. También participaron investigadores como Frank Wilczek, físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts y premio Nobel de Física. El artículo correspondiente ha sido publicado en la revista "Nature".
En el concepto de la física clásica, el vacío suele considerarse un espacio sin materia, pero la mecánica cuántica da una respuesta completamente diferente. Según la electrodinámica cuántica y el principio de incertidumbre de Heisenberg, incluso en el estado de energía más bajo todavía existen fluctuaciones cuánticas en el espacio que no pueden eliminarse por completo. Se seguirán produciendo y aniquilando partículas virtuales, de modo que la llamada "nada" en realidad siempre estará en un estado de actividad microscópica.
La fluctuación del vacío cuántico no es un concepto puramente teórico. Su existencia ha sido verificada mediante fenómenos experimentales como el desplazamiento Lamb, la emisión espontánea y el efecto Casimir. Sin embargo, en condiciones normales, el efecto de las fluctuaciones del vacío suele ser muy débil y es difícil afectar directamente la materia condensada a escala macro.
El equipo de investigación ha estado explorando previamente cómo controlar esta fluctuación del vacío cuántico. El equipo de Zeng Changgan y Cheng Guanghui había utilizado previamente campos magnéticos para ajustar reversiblemente la fuerza de Casimir, permitiéndole cambiar entre fuerzas atractivas y repulsivas. Este trabajo plantea además la pregunta: si las fluctuaciones del vacío se pueden manipular activamente, ¿se puede utilizar este efecto cuántico aparentemente débil también para controlar estados cuánticos macroscópicos?
Al mismo tiempo, el equipo de Jiang Qingdong estudió cómo el vacío cuántico afecta el estado de la materia desde una perspectiva teórica y propuso el concepto de "vacuumrónica", que consiste en regular el comportamiento de los electrones y fotones mediante el diseño artificial de un entorno de vacío. Este experimento superconductor proporciona una nueva base experimental para esta idea teórica.
Los investigadores señalan que las fluctuaciones del vacío en el espacio libre ordinario suelen ser demasiado débiles para tener un impacto significativo en los sistemas macroscópicos de materia condensada. Para resolver este problema, diseñaron un resonador de anillo dividido de terahercios, la llamada "cavidad oscura". Esta cavidad especial puede cambiar el entorno electromagnético circundante y mejorar significativamente las fluctuaciones del vacío.
Luego, los investigadores colocaron el material superconductor NbSe₂ dentro de la cavidad oscura de terahercios, construyeron un dispositivo que acopla el superconductor a la cavidad oscura y lo compararon con materiales similares fuera de la cavidad. Los resultados experimentales muestran que después de entrar en la cavidad oscura, la temperatura crítica superconductora del NbSe₂ aumenta significativamente. En el dispositivo de NbSe₂ de seis capas, la temperatura crítica aumentó hasta un 5,4%. Al mismo tiempo, la corriente crítica y el campo magnético crítico también aumentaron significativamente cerca de la transición superconductora.
La temperatura crítica superconductora es un indicador importante para juzgar el rendimiento de los materiales superconductores. Sólo cuando la temperatura del material cae por debajo de este valor crítico puede entrar en estado superconductor. Un aumento en la temperatura crítica significa que el material puede permanecer superconductor a una temperatura más alta, mientras que un aumento en la corriente crítica y el campo magnético crítico significa que el estado superconductor puede soportar corrientes y campos magnéticos más grandes.
Para confirmar que esta mejora no fue causada por otros factores físicos ordinarios, los investigadores realizaron una gran cantidad de experimentos controlados. Cambiaron sistemáticamente la geometría y la frecuencia característica de la cavidad oscura, al mismo tiempo que cambiaron parámetros como el espesor del material, el material dieléctrico y la estructura de la tira metálica. Los resultados experimentales descartan factores como la tensión, la degradación del material, la falta de homogeneidad del material y el blindaje metálico como las razones principales.
La evidencia más crítica proviene de cambios en la frecuencia característica de la cavidad oscura. Cuando los investigadores cambiaron la frecuencia característica de la cavidad oscura, el efecto de mejora superconductora no cambió simplemente con la frecuencia, sino que mostró un pico obvio. Cuando la frecuencia característica de la cavidad alcanza un rango específico, el rendimiento superconductor mejora al máximo.
Los investigadores creen que este comportamiento máximo, que está estrechamente relacionado con las propiedades ópticas de la cavidad, es una base experimental importante para el acoplamiento entre el estado superconductor y el modo de cavidad oscura. En otras palabras, los resultados de la investigación no muestran simplemente que "poner un material superconductor en una cavidad especial lo hará más fuerte", sino que muestran que existe una interacción con las características de resonancia entre el estado superconductor y los modos electromagnéticos específicos en la cavidad.
Para explicar mejor el fenómeno experimental, el equipo de Jiang Qingdong, Wilczek y otros establecieron un modelo teórico. Utilizaron el marco teórico de Ginzburg-Landau para proponer que el estado superconductor puede interactuar con la cavidad oscura a través de fotones virtuales. Esta interacción puede reducir la energía del estado superconductor, haciendo así que el estado superconductor sea más estable y, en última instancia, mejorando las propiedades superconductoras.
Cuando la energía característica del modo de cavidad oscura coincide con la fluctuación de baja energía en el sistema superconductor, el acoplamiento entre los dos alcanza un estado de resonancia, por lo que el pico del efecto de mejora superconductor aparece en el experimento.
Lo más especial de este estudio es que los investigadores no mejoraron la superconductividad mediante conducción externa en el sentido tradicional, sino que lograron el control cambiando el entorno de vacío cuántico en el que se encuentra el material. En otras palabras, el vacío en sí ya no es sólo un fondo pasivo que alberga fenómenos físicos, sino que puede convertirse en una herramienta activa para influir en el estado cuántico de la materia a través de cavidades cuidadosamente diseñadas.
Los investigadores dijeron que este método proporciona una nueva forma de controlar materiales cuánticos sin contacto. En lugar de aplicar directamente campos eléctricos externos, campos magnéticos u otros métodos de conducción, los investigadores cambian principalmente el entorno de vacío electromagnético alrededor del material diseñando la estructura de la cavidad, afectando así el estado superconductor.
Si la estructura de la cavidad oscura y el sistema material utilizado pueden optimizarse aún más en el futuro, el acoplamiento entre las fluctuaciones del vacío y los materiales cuánticos puede mejorarse aún más y se espera que se extienda a más tipos de estados cuánticos y materiales cuánticos.
Esta investigación también significa que la forma en que los humanos usan la "aspiradora" puede estar cambiando. En el pasado, el vacío se consideraba más como un entorno que necesitaba eliminar las interferencias en los experimentos, pero el desarrollo de la física cuántica ha demostrado que el vacío no es realmente "nada". Este experimento muestra además que, al diseñar artificialmente un entorno de vacío, las fluctuaciones cuánticas originalmente débiles pueden incluso transformarse en una herramienta para regular los materiales cuánticos macroscópicos, proporcionando una nueva dirección de exploración para la futura tecnología superconductora y la investigación de materiales cuánticos.
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