Resumo:
Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, da Academia Chinesa de Ciências, da Universidade Shanghai Jiao Tong, do MIT e de outras instituições fizeram um novo progresso na pesquisa sobre supercondutores. Eles usaram uma "cavidade escura" de terahertz especialmente projetada para aumentar artificialmente as flutuações quânticas de vácuo originalmente extremamente fracas e, pela primeira vez, observaram experimentalmente que essa flutuação de vácuo pode melhorar as propriedades supercondutoras. Os resultados da pesquisa mostram que, sob certas condições, a temperatura crítica supercondutora de um dispositivo de disseleneto de nióbio (NbSe₂) com seis camadas de espessura pode ser aumentada em até 5,4%, enquanto a corrente crítica e o campo magnético crítico também são significativamente aumentados.
Esta pesquisa foi concluída pela equipe de Zeng Changgan e Cheng Guanghui da Universidade de Ciência e Tecnologia da China e pela equipe de Jiang Qingdong da Universidade Jiao Tong de Xangai. Também participaram pesquisadores como Frank Wilczek, físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e ganhador do Prêmio Nobel de Física. O artigo relevante foi publicado na revista "Nature".
No conceito da física clássica, o vácuo é geralmente considerado um espaço sem matéria, mas a mecânica quântica dá uma resposta completamente diferente. De acordo com a eletrodinâmica quântica e o princípio da incerteza de Heisenberg, mesmo no estado de energia mais baixo, ainda existem flutuações quânticas no espaço que não podem ser completamente eliminadas. Partículas virtuais continuarão a ser produzidas e aniquiladas, de modo que o chamado “nada” estará sempre em estado de atividade microscópica.
A flutuação quântica do vácuo não é um conceito puramente teórico. Sua existência foi verificada através de fenômenos experimentais como deslocamento de Lamb, emissão espontânea e efeito Casimir. No entanto, em condições normais, o efeito das flutuações do vácuo é geralmente muito fraco e é difícil afetar diretamente a matéria condensada em macroescala.
A equipe de pesquisa explorou anteriormente como controlar essa flutuação quântica do vácuo. A equipe de Zeng Changgan e Cheng Guanghui já havia usado campos magnéticos para ajustar reversivelmente a força de Casimir, permitindo-lhe alternar entre forças atrativas e repulsivas. Este trabalho levanta ainda a questão: se as flutuações do vácuo podem ser manipuladas ativamente, pode este efeito quântico aparentemente fraco também ser usado para controlar estados quânticos macroscópicos?
Ao mesmo tempo, a equipe de Jiang Qingdong estudou como o vácuo quântico afeta o estado da matéria de uma perspectiva teórica e propôs o conceito de "vacuumrônico", que consiste em regular o comportamento de elétrons e fótons projetando artificialmente um ambiente de vácuo. Este experimento supercondutor fornece uma nova base experimental para esta ideia teórica.
Os investigadores salientam que as flutuações do vácuo no espaço livre comum são geralmente demasiado fracas para terem um impacto significativo nos sistemas macroscópicos de matéria condensada. Para resolver esse problema, eles projetaram um ressonador de anel dividido em terahertz, a chamada "cavidade escura". Esta cavidade especial pode alterar o ambiente eletromagnético circundante e aumentar significativamente as flutuações do vácuo.
Os pesquisadores então colocaram o material supercondutor NbSe₂ dentro da cavidade escura de terahertz, construíram um dispositivo acoplando o supercondutor à cavidade escura e compararam-no com materiais semelhantes fora da cavidade. Resultados experimentais mostram que após entrar na cavidade escura, a temperatura crítica supercondutora do NbSe₂ aumenta significativamente. No dispositivo NbSe₂ de seis camadas, a temperatura crítica aumentou até 5,4%. Ao mesmo tempo, a corrente crítica e o campo magnético crítico também aumentaram significativamente perto da transição supercondutora.
A temperatura crítica supercondutora é um indicador importante para avaliar o desempenho de materiais supercondutores. Somente quando a temperatura do material cai abaixo deste valor crítico ele pode entrar no estado supercondutor. Um aumento na temperatura crítica significa que o material pode permanecer supercondutor a uma temperatura mais elevada, enquanto um aumento na corrente crítica e no campo magnético crítico significa que o estado supercondutor pode suportar correntes e campos magnéticos maiores.
Para confirmar que esta melhoria não foi causada por outros factores físicos comuns, os investigadores conduziram um grande número de experiências controladas. Eles alteraram sistematicamente a geometria e a frequência característica da cavidade escura, enquanto alteravam parâmetros como espessura do material, material dielétrico e estrutura da tira metálica. Os resultados experimentais descartam fatores como deformação, degradação do material, falta de homogeneidade do material e blindagem metálica como os principais motivos.
A evidência mais crítica vem das mudanças na frequência característica da cavidade escura. Quando os pesquisadores alteraram a frequência característica da cavidade escura, o efeito de aprimoramento supercondutor não mudou simplesmente com a frequência, mas mostrou um pico óbvio. Quando a frequência característica da cavidade atinge uma faixa específica, o desempenho supercondutor é melhorado.
Os investigadores acreditam que este comportamento de pico, que está intimamente relacionado com as propriedades ópticas da cavidade, é uma importante base experimental para o acoplamento entre o estado supercondutor e o modo de cavidade escura. Em outras palavras, os resultados da pesquisa não mostram simplesmente que “colocar um material supercondutor em uma cavidade especial o tornará mais forte”, mas mostram que há uma interação com características de ressonância entre o estado supercondutor e modos eletromagnéticos específicos na cavidade.
Para explicar melhor o fenômeno experimental, a equipe de Jiang Qingdong, Wilczek e outros estabeleceram um modelo teórico. Eles usaram a estrutura teórica de Ginzburg-Landau para propor que o estado supercondutor pode interagir com a cavidade escura através de fótons virtuais. Esta interação pode reduzir a energia do estado supercondutor, tornando assim o estado supercondutor mais estável e, em última análise, melhorando as propriedades supercondutoras.
Quando a energia característica do modo de cavidade escura corresponde à flutuação de baixa energia no sistema supercondutor, o acoplamento entre os dois atinge um estado de ressonância, de modo que o pico do efeito de aprimoramento supercondutor aparece no experimento.
A coisa mais especial sobre este estudo é que os pesquisadores não melhoraram a supercondutividade através da condução externa no sentido tradicional, mas alcançaram o controle alterando o ambiente de vácuo quântico no qual o material está localizado. Por outras palavras, o vácuo em si já não é apenas um fundo passivo que acolhe fenómenos físicos, mas pode tornar-se uma ferramenta activa para influenciar o estado quântico da matéria através de cavidades cuidadosamente concebidas.
Os pesquisadores disseram que este método fornece uma nova maneira de controlar materiais quânticos sem contato. Em vez de aplicar diretamente campos elétricos externos, campos magnéticos ou outros métodos de condução, os pesquisadores alteram principalmente o ambiente de vácuo eletromagnético ao redor do material, projetando a estrutura da cavidade, afetando assim o estado supercondutor.
Se a estrutura da cavidade escura e o sistema de materiais utilizados puderem ser otimizados ainda mais no futuro, o acoplamento entre as flutuações do vácuo e os materiais quânticos poderá ser aprimorado ainda mais e espera-se que seja estendido a mais tipos de estados quânticos e materiais quânticos.
Esta pesquisa também significa que a forma como os humanos usam o “vácuo” pode estar mudando. No passado, o vácuo era considerado mais um ambiente que precisava eliminar interferências em experimentos, mas o desenvolvimento da física quântica provou que o vácuo não é realmente “nada”. Este experimento mostra ainda que, ao projetar artificialmente um ambiente de vácuo, flutuações quânticas originalmente fracas podem até ser transformadas em uma ferramenta para regular materiais quânticos macroscópicos, fornecendo uma nova direção de exploração para futuras tecnologias supercondutoras e pesquisas de materiais quânticos.
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