Os investigadores demonstraram pela primeira vez que as flutuações quânticas no vácuo podem sustentar a supercondutividade, abrindo uma nova forma de controlar estados incomuns da matéria.
O estudo, publicado em NaturezaLiderado por professores. Changgan Zeng e Guanghui Cheng, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, Academia Chinesa de Ciências. A colaboração também incluiu o professor Qiangdong Jiang da Universidade Jiao Tong de Xangai, o professor Frank Wilczek do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e outros pesquisadores.
espaço vazio não é realmente vazio
Na linguagem cotidiana, o vácuo pode soar como um espaço completamente vazio. A física quântica pinta um quadro muito diferente.
De acordo com a eletrodinâmica quântica e o princípio da incerteza de Heisenberg, mesmo o estado de energia mais baixo nunca é completamente estável. Partículas virtuais aparecem e desaparecem constantemente, criando um fundo sempre presente de flutuações quânticas.
Esses altos e baixos não são meramente teóricos. Seus efeitos foram observados através de fenômenos bem estabelecidos como o deslocamento de Lamb, a emissão espontânea e o efeito Casimir.
Durante vários anos, equipes lideradas por Zeng e Cheng investigaram como essas flutuações no vácuo afetam os sistemas de matéria condensada. Num estudo anterior, os investigadores demonstraram que podiam manipular diretamente as flutuações do vácuo, utilizando campos magnéticos para inverter a força de Casimir entre a atração e a repulsão.
Esse resultado levantou uma grande questão: as flutuações quânticas do vácuo também podem ser usadas para controlar estados quânticos macroscópicos?
Transformando o vácuo em um dispositivo de controle
O grupo de Jiang abordou o mesmo problema de uma perspectiva teórica, estudando como ambientes de vácuo quântico projetados podem afetar diferentes estados da matéria.
Os pesquisadores introduziram o conceito de “vacuumronics”, que utiliza um ambiente de vácuo especialmente projetado para controlar o comportamento eletrônico e fotônico. Esse trabalho teórico ajudou a fornecer uma estrutura para a compreensão do aumento da supercondutividade visto nos novos experimentos.
“As flutuações do vácuo no espaço livre são geralmente muito fracas para causar efeitos observáveis em sistemas macroscópicos de matéria condensada”, disse o professor Zeng. “Para superar essa limitação, introduzimos um ressonador de anel dividido em terahertz. Essa cavidade escura pode remodelar o ambiente eletromagnético e amplificar substancialmente as flutuações do vácuo.”
Para testar experimentalmente essa ideia, os pesquisadores colocaram o supercondutor NbSe2 dentro de uma cavidade escura de terahertz. Isto criou um sistema acoplado no qual o material supercondutor interagia com um ambiente eletromagnético especialmente projetado dentro da cavidade.
A equipe então comparou o comportamento supercondutor do material dentro e fora da cavidade. Os resultados mostraram que a colocação de NbSe2 na cavidade aumentou significativamente a sua temperatura crítica supercondutora, a temperatura abaixo da qual o material entra no seu estado supercondutor.
supercondutividade se torna mais forte
“Observamos que a temperatura crítica no dispositivo NbSe2 de seis camadas poderia aumentar em 5,4%, enquanto a corrente crítica e o campo magnético crítico perto da transição supercondutora aumentaram significativamente”, disse o professor Cheng. “Isso representa a primeira observação experimental de supercondutividade aprimorada por flutuação de vácuo.”
Os pesquisadores conduziram uma série de experimentos de controle para determinar se o efeito poderia ser explicado por mudanças mais convencionais nos ingredientes.
Eles variaram diversas propriedades da configuração, incluindo a geometria da cavidade, frequência característica, espessura do material, material dielétrico e tiras de metal. Os resultados permitiram descartar explicações envolvendo tensão, degradação do material, falta de homogeneidade e efeitos de blindagem do metal.
Uma das pistas mais fortes veio da relação entre o aumento da supercondutividade e a frequência característica da cavidade escura. Em vez de mudar suavemente, o aumento mostrou um pico semelhante a ressonância em uma frequência específica.
“Este resultado, intimamente ligado às propriedades fotônicas da cavidade, fornece fortes evidências experimentais do acoplamento entre o estado supercondutor e o modo de cavidade escura”, disse o professor Zeng.
Pode explicar o efeito do fóton virtual
Para explicar o que estava acontecendo, a equipe de Jiang e Wilczek desenvolveram um modelo teórico baseado na estrutura Ginzburg-Landau.
A sua explicação sugere que o estado supercondutor troca fotões virtuais com a cavidade escura. Essa interação diminui a energia do estado supercondutor, tornando a supercondutividade mais estável e fortalecendo-a efetivamente.
“Quando a energia específica do modo de cavidade corresponde às flutuações supercondutoras de baixa energia, o dispositivo NbSe2 apresentou aprimoramento ressonante, gerando um pico no aumento da supercondutividade”, disse o professor Jiang.
O resultado muda a maneira usual como os físicos pensam sobre o vácuo. Em vez de simplesmente servir como um fundo vazio, o vácuo quântico poderia ser potencialmente projetado para influenciar o comportamento da matéria.
O professor Wilczek disse: “Na maior parte da física aplicada, o vácuo serve apenas como um estágio passivo no qual os fenômenos ocorrem. Este trabalho mostra que o próprio fundo pode se tornar um ator – projetado para fortalecer a supercondutividade e remodelar o comportamento da matéria quântica.”
Uma nova maneira de controlar a matéria quântica
Esta abordagem fortalece a supercondutividade sem conduzir diretamente o material com uma fonte de energia externa. Em vez disso, os investigadores remodelam o ambiente de vácuo circundante, fornecendo um método sem contacto para influenciar o estado quântico da matéria.
Em última análise, isso poderia tornar as flutuações de vácuo projetadas em um novo mecanismo de controle útil para supercondutores e outros materiais quânticos.
“Com maior otimização das estruturas de cavidades e sistemas de materiais, o acoplamento de flutuação de vácuo pode permitir um controle mais preciso e amplamente aplicável dos estados quânticos”, disse o professor Zeng.
