![]()
![]()
量子力學(xué)告訴我們,空間中充滿了電磁場(chǎng);即使沒(méi)有光的情況下,電磁場(chǎng)也會(huì)呈現(xiàn)微小且不可避免的漲落。這些漲落被稱為量子(或真空)漲落。
在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中,一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了一種長(zhǎng)期停留在理論層面的可能性:僅憑二維材料原子級(jí)薄層內(nèi)部真空中的量子漲落,就能夠改變附近一塊更大晶體的性質(zhì)。他們將一片納米尺度的六方氮化硼(hBN)薄片放在在有機(jī)超導(dǎo)材料κ-ET之上;在未加入任何激光或外部驅(qū)動(dòng)力的情況下,κ-ET的超導(dǎo)性被強(qiáng)烈抑制。
不同尋常的光學(xué)腔
在超導(dǎo)材料中,當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí),電流就可以無(wú)電阻流動(dòng)。然而,這種量子態(tài)對(duì)外部條件極其敏感:溫度變化、外加磁場(chǎng),甚至照明,都可能削弱或增強(qiáng)它。
在新的研究中,研究團(tuán)隊(duì)想知道,由光學(xué)腔調(diào)控的光-物質(zhì)相互作用,是否也能改變超導(dǎo)態(tài)。光學(xué)腔是一種“捕光”裝置,通過(guò)將光限制在其中,就可以增強(qiáng)光與鄰近材料之間的有效相互作用,從而改變?cè)摬牧系男再|(zhì)。
研究人員構(gòu)建了一種不同尋常的光學(xué)腔。與兩面鏡子相對(duì)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同,這個(gè)空腔是由hBN薄片制成,它覆蓋在超導(dǎo)體表面,起到“封頂”的作用。
hBN屬于范德華材料,其典型特征是層狀結(jié)構(gòu)。正是這種結(jié)構(gòu)使hBN具有各向異性:光在層內(nèi)平面中的傳播方式不同于在平面外的傳播方式。在特定波長(zhǎng)下,hBN的各向異性會(huì)使光以一種高度受限的模式傳播,這類模式稱為雙曲模式。這意味著,hBN可以將具有特定能量的電磁場(chǎng)限制在極小體積中。在如此強(qiáng)的約束下,即便微弱的量子真空漲落也能被放大,從而使鄰近材料對(duì)處在hBN雙曲模式能量尺度上的微擾變得異常敏感。
實(shí)驗(yàn)證據(jù)
在新實(shí)驗(yàn)中,光學(xué)腔鄰近的材料就是κ-ET。κ-ET是一種當(dāng)被冷卻至11.5開(kāi)爾文時(shí),便會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的有機(jī)超導(dǎo)材料。κ-ET中存在一種發(fā)生在兩個(gè)碳原子之間(C=C)的分子振動(dòng),被稱為C=C伸縮模式,長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為為可能與其超導(dǎo)態(tài)相關(guān)。C=C振動(dòng)的頻率位于紅外范圍,并與hBN的雙曲模式重疊,因而滿足共振條件。
研究人員通過(guò)一種名為掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM)的測(cè)量技術(shù)在實(shí)驗(yàn)上證明:C=C分子振動(dòng)會(huì)與hBN的雙曲模式發(fā)生雜化。但SNOM屬于依賴光子的光學(xué)工具,而光子本身也可能改變材料。為了證明僅憑量子漲落本身究竟能做到什么,研究人員需要找到一種在黑暗中工作的方法——他們使用了一臺(tái)低溫磁力顯微鏡(MFM)。
MFM以很高的空間分辨率定量測(cè)量κ-ET中的邁斯納效應(yīng)。當(dāng)一種材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí),外部磁場(chǎng)會(huì)被排斥出材料,這一現(xiàn)象就被稱為邁斯納效應(yīng)。這種效應(yīng)的強(qiáng)度取決于參與超導(dǎo)的電子密度,即超流密度。研究人員發(fā)現(xiàn),光學(xué)腔的存在,會(huì)使κ-ET中的超流密度被強(qiáng)烈抑制——在靠近光學(xué)腔界面的區(qū)域,超流密度最多下降了50%。
研究人員表示,MFM實(shí)驗(yàn)的結(jié)果好到令人難以置信:真空漲落極其微弱,但觀測(cè)到的效應(yīng)卻非常巨大——在κ-ET中,超導(dǎo)性被抑制的范圍幾乎達(dá)到1/2微米——是所用hBN薄片寬度的10倍。
重塑材料性質(zhì)
或許這項(xiàng)工作最令人興奮的部分仍在后面。如果一個(gè)共振光學(xué)腔能夠通過(guò)重塑某一特定振動(dòng)的漲落來(lái)抑制超導(dǎo)性,那么另一種光學(xué)腔設(shè)計(jì)也許就能通過(guò)把這些漲落推向相反方向來(lái)增強(qiáng)超導(dǎo)性。
無(wú)論如何,這項(xiàng)工作傳遞出一條重要信息:即使在黑暗中,改變材料周圍的電磁場(chǎng),也能導(dǎo)致其性質(zhì)發(fā)生廣泛改變。
#參考來(lái)源:
https://quantum.columbia.edu/news/matching-vibrations-all-it-takes-modify-materials
https://www.nature.com/articles/d41586-026-00296-3
https://physicsworld.com/a/dark-optical-cavity-alters-superconductivity/
https://www.nature.com/articles/s41586-025-10062-6
#圖片來(lái)源:
封面圖&首圖:Ella Maru Studio
特別聲明:以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺(tái)“網(wǎng)易號(hào)”用戶上傳并發(fā)布,本平臺(tái)僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.