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Un gruppo di ricercatori ha dimostrato per la prima volta che le fluttuazioni quantistiche del vuoto sono in grado di rafforzare la superconduttività, alzando fino al 5,4% la temperatura di transizione di un materiale ultrasottile. Lo studio, pubblicato su Nature, è stato guidato da Changgan Zeng e Guanghui Cheng dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina, parte dell’Accademia Cinese delle Scienze. Hanno collaborato Qingdong Jiang della Shanghai Jiao Tong University, Frank Wilczek del Massachusetts Institute of Technology e altri ricercatori. L’idea di fondo è semplice da enunciare e sorprendente nelle implicazioni. Un ambiente di vuoto quantistico progettato ad arte permette di controllare i materiali quantistici senza toccarli e senza sollecitarli con fonti di energia esterne.
Quando lo spazio vuoto non è davvero vuoto
Nel linguaggio di tutti i giorni il vuoto evoca il nulla, ma la fisica quantistica racconta un’altra storia. Secondo l’elettrodinamica quantistica e il principio di indeterminazione di Heisenberg, anche lo stato di energia più basso non è mai perfettamente immobile. Particelle virtuali compaiono e spariscono di continuo, generando un sottofondo costante di fluttuazioni che rende il vuoto quantistico tutt’altro che inerte. Non si tratta di pura teoria, visto che i loro effetti sono stati osservati in fenomeni ben noti come lo spostamento di Lamb, l’emissione spontanea e l’effetto Casimir.
Da diversi anni i gruppi di Zeng e Cheng studiano come queste fluttuazioni influenzino i sistemi di materia condensata. In un lavoro precedente erano riusciti a manipolarle direttamente, sfruttando un campo magnetico per far passare in modo reversibile la forza di Casimir dall’attrazione alla repulsione. Da lì è nata una domanda più ambiziosa, cioè se fosse possibile usare le fluttuazioni del vuoto anche per governare stati quantistici macroscopici. Sul versante teorico il gruppo di Jiang aveva introdotto il concetto di vacuumronics, in cui ambienti di vuoto costruiti appositamente servono a controllare il comportamento elettronico e fotonico. Proprio questa cornice ha aiutato a interpretare i nuovi esperimenti.
Una cavità oscura per amplificare il vuoto
Il problema è che nello spazio libero queste fluttuazioni sono troppo deboli per produrre effetti osservabili nei sistemi macroscopici. “Per superare questo limite abbiamo introdotto un risonatore ad anello diviso nei terahertz” ha spiegato Zeng, aggiungendo che una cavità oscura di questo tipo può rimodellare l’ambiente elettromagnetico e amplificare in modo sostanziale le fluttuazioni del vuoto. I ricercatori hanno quindi collocato il superconduttore NbSe2 all’interno della cavità, creando un sistema accoppiato, e ne hanno confrontato il comportamento dentro e fuori. L’esito è stato netto, con un aumento significativo della temperatura critica, ovvero la soglia sotto la quale il materiale entra nello stato superconduttivo.
“Abbiamo osservato che la temperatura critica può aumentare fino al 5,4% in un dispositivo di NbSe2 a sei strati, mentre corrente critica e campo magnetico critico risultano nettamente potenziati vicino alla transizione” ha dichiarato Cheng, parlando della prima osservazione sperimentale di superconduttività rafforzata dalle fluttuazioni del vuoto. Per escludere spiegazioni più convenzionali il team ha variato geometria della cavità, frequenza caratteristica, spessori, materiali dielettrici e strisce metalliche. Così sono state scartate ipotesi come tensioni meccaniche, degrado del materiale, disomogeneità ed effetti di schermatura metallica. L’indizio più forte riguarda la frequenza della cavità, perché il potenziamento non cambia in modo graduale ma mostra un picco simile a una risonanza in corrispondenza di un valore preciso. Secondo Zeng questo dato, strettamente legato alle proprietà fotoniche del dispositivo, fornisce una solida prova sperimentale dell’accoppiamento tra stato superconduttivo e modi della cavità oscura.
Il ruolo dei fotoni virtuali
Per spiegare il fenomeno il gruppo di Jiang e Wilczek hanno sviluppato un modello teorico basato sul quadro di Ginzburg e Landau. Lo stato superconduttivo scambierebbe fotoni virtuali con la cavità e questa interazione ne abbassa l’energia, rendendolo più stabile e di fatto più robusto. “Quando l’energia caratteristica del modo della cavità corrispondeva alle fluttuazioni superconduttive a bassa energia, il dispositivo di NbSe2 ha mostrato un potenziamento risonante” ha spiegato Jiang. Wilczek sottolinea come nella fisica pratica il vuoto sia di solito soltanto il palcoscenico passivo su cui avvengono i fenomeni, mentre in questo caso lo sfondo stesso diventa un attore capace di rimodellare il comportamento della materia quantistica.
Il vantaggio dell’approccio sta nel fatto che non serve eccitare il materiale con una fonte di energia esterna. Basta intervenire sull’ambiente di vuoto circostante per ottenere un metodo senza contatto che agisce su uno stato quantistico, potenzialmente utile per i superconduttori e per altri materiali quantistici. “Con un’ulteriore ottimizzazione delle strutture delle cavità e dei sistemi di materiali, l’accoppiamento con le fluttuazioni del vuoto potrebbe consentire un controllo degli stati quantistici più marcato e applicabile su larga scala” ha affermato Zeng.
Fonte: TecnoAndroid
