Investigadores de China, logran la primera demostración experimental de superconductividad potenciada por fluctuaciones del vacío
Beijing, China, Asia.- En un estudio publicado en Nature el 19 de agosto, investigadores liderados por los profesores ZENG Changgan y CHENG Guanghui de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China de la Academia China de Ciencias, junto con el profesor JIANG Qingdong de la Universidad Jiao Tong de Shanghái, el profesor Frank Wilczek del Instituto Tecnológico de Massachusetts y otros colaboradores, han demostrado por primera vez que las fluctuaciones del vacío pueden potenciar la superconductividad, un avance significativo en el control de los estados cuánticos de la materia.
El espacio libre de materia no está realmente vacío. El vacío no es un vacío absoluto. En electrodinámica cuántica, el principio de incertidumbre de Heisenberg implica que incluso en el estado fundamental existe actividad irreducible, con la continua creación y aniquilación de partículas virtuales. Por lo tanto, el vacío contiene un «mar» dinámico de fluctuaciones cuánticas. Varios fenómenos célebres, como el desplazamiento de Lamb, la emisión espontánea y el efecto Casimir, proporcionan evidencia experimental convincente de su existencia.
En los últimos años, el equipo de los profesores Zeng y Cheng se ha centrado en los efectos de las fluctuaciones del vacío en sistemas de materia condensada. En un estudio anterior, el equipo logró un control directo sobre las fluctuaciones del vacío mediante una transición reversible de la fuerza de Casimir de atracción a repulsión bajo un campo magnético, lo que inspiró una nueva pregunta: ¿Es posible aprovechar las fluctuaciones del vacío para manipular estados cuánticos macroscópicos?
Además de estos esfuerzos experimentales, el equipo del profesor Jiang ha realizado estudios teóricos sobre el control cuántico del vacío de los estados de la materia. El equipo propuso el concepto de «vacuumrónica», en el que entornos de vacío diseñados regulan los comportamientos electrónicos y fotónicos, sentando así las bases teóricas para interpretar el mecanismo de superconductividad mejorada por el vacío descrito en este estudio.
«Las fluctuaciones del vacío en el espacio libre suelen ser demasiado débiles para producir efectos observables en sistemas macroscópicos de materia condensada», afirmó el profesor Zeng. Para superar esta limitación, introdujimos un resonador de anillo partido de terahercios. Esta cavidad oscura puede remodelar el entorno electromagnético y amplificar sustancialmente las fluctuaciones del vacío.
En este estudio, el equipo de los profesores Zeng y Cheng integró el superconductor NbSe2 en la cavidad oscura de terahercios, construyendo un dispositivo acoplado superconductor-cavidad oscura. Al comparar sistemáticamente la superconductividad dentro y fuera de la cavidad, el equipo observó un aumento sustancial en la temperatura crítica de superconductividad del NbSe2.
«Observamos que la temperatura crítica puede aumentar hasta un 5,4 % en un dispositivo de NbSe2 de seis capas, mientras que la corriente crítica y el campo magnético crítico se incrementan significativamente cerca de la transición superconductora», afirmó el profesor Cheng. «Esto representa la primera observación experimental de superconductividad potenciada por fluctuaciones del vacío».
Para esclarecer el origen de la potenciación de la superconductividad, el equipo llevó a cabo experimentos de control sistemáticos sobre múltiples parámetros, incluyendo la geometría de la cavidad y la frecuencia característica, los espesores de los materiales, los materiales dieléctricos y las tiras metálicas. Estos experimentos descartaron eficazmente factores triviales como la deformación, la degradación del material, la inhomogeneidad y los efectos de apantallamiento metálico.
Cabe destacar que se observó que el aumento de la superconductividad presenta una dependencia con forma de pico resonante respecto a la frecuencia característica de la cavidad oscura. «Este resultado, estrechamente vinculado a las propiedades fotónicas de la cavidad, proporciona una sólida evidencia experimental del acoplamiento entre el estado superconductor y los modos de la cavidad oscura», afirmó el profesor Zeng.
Además, el equipo del profesor Jiang y el profesor Wilczek desarrollaron conjuntamente el modelo teórico e interpretaron el mecanismo subyacente. Dentro del marco de Ginzburg-Landau, propusieron que el estado superconductor intercambia fotones virtuales con la cavidad oscura, reduciendo la energía del estado superconductor y, por lo tanto, fortaleciendo la superconductividad.
«Cuando la energía característica del modo de la cavidad coincidía con las fluctuaciones superconductoras de baja energía, el dispositivo de NbSe₂ exhibió un aumento resonante, produciendo el pico en el aumento de la superconductividad», explicó el profesor Jiang. En la mayoría de los casos de física práctica, el vacío sirve simplemente como escenario pasivo donde se desarrollan los fenómenos. Este trabajo demuestra que el propio entorno puede convertirse en un actor, diseñado para fortalecer la superconductividad y modificar el comportamiento de la materia cuántica —afirmó el profesor Wilczek—.
Este estudio emplea fluctuaciones de vacío inducidas mediante cavidades para potenciar la superconductividad de forma no invasiva y sin excitación externa. Este enfoque ofrece un control sin contacto para los estados cuánticos de la materia. «Con una mayor optimización de las estructuras de las cavidades y los sistemas de materiales, el acoplamiento de las fluctuaciones de vacío podría permitir un control más preciso y ampliamente aplicable de los estados cuánticos».
