Résumé :
Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Chine, de l'Académie chinoise des sciences, de l'Université Jiao Tong de Shanghai, du MIT et d'autres institutions ont réalisé de nouveaux progrès dans la recherche sur la supraconductivité. Ils ont utilisé une « cavité sombre » térahertz spécialement conçue pour améliorer artificiellement les fluctuations du vide quantique initialement extrêmement faibles, et ont observé pour la première fois expérimentalement que ces fluctuations du vide peuvent améliorer les propriétés supraconductrices. Les résultats de la recherche montrent que dans certaines conditions, la température critique supraconductrice d'un dispositif en diséléniure de niobium (NbSe₂) à six couches d'épaisseur peut être augmentée jusqu'à 5,4 %, tandis que le courant critique et le champ magnétique critique sont également considérablement améliorés.
Cette recherche a été réalisée par l'équipe de Zeng Changgan et Cheng Guanghui de l'Université des sciences et technologies de Chine et l'équipe de Jiang Qingdong de l'Université Jiao Tong de Shanghai. Des chercheurs tels que Frank Wilczek, physicien au Massachusetts Institute of Technology et lauréat du prix Nobel de physique, y ont également participé. L'article correspondant a été publié dans la revue "Nature".
Dans le concept de la physique classique, le vide est généralement considéré comme un espace sans matière, mais la mécanique quantique donne une réponse complètement différente. Selon l'électrodynamique quantique et le principe d'incertitude de Heisenberg, même dans l'état d'énergie le plus bas, il existe encore des fluctuations quantiques dans l'espace qui ne peuvent être complètement éliminées. Des particules virtuelles continueront à être produites et annihilées, de sorte que ce qu'on appelle le « rien » soit en réalité toujours dans un état d'activité microscopique.
La fluctuation du vide quantique n'est pas un concept purement théorique. Son existence a été vérifiée grâce à des phénomènes expérimentaux tels que le déplacement de Lamb, l'émission spontanée et l'effet Casimir. Cependant, dans des conditions ordinaires, l’effet des fluctuations du vide est généralement très faible et il est difficile d’affecter directement la matière condensée à l’échelle macro.
L'équipe de recherche a déjà étudié comment contrôler cette fluctuation du vide quantique. L'équipe de Zeng Changgan et Cheng Guanghui avait déjà utilisé des champs magnétiques pour ajuster de manière réversible la force de Casimir, lui permettant de basculer entre les forces attractives et répulsives. Ce travail soulève en outre la question suivante : si les fluctuations du vide peuvent être activement manipulées, cet effet quantique apparemment faible peut-il également être utilisé pour contrôler les états quantiques macroscopiques ?
Dans le même temps, l'équipe de Jiang Qingdong a étudié comment le vide quantique affecte l'état de la matière d'un point de vue théorique et a proposé le concept de « vacuumronique », qui consiste à réguler le comportement des électrons et des photons en concevant artificiellement un environnement sous vide. Cette expérience supraconductrice fournit une nouvelle base expérimentale pour cette idée théorique.
Les chercheurs soulignent que les fluctuations du vide dans l'espace libre ordinaire sont généralement trop faibles pour avoir un impact significatif sur les systèmes macroscopiques de matière condensée. Pour résoudre ce problème, ils ont conçu un résonateur térahertz à anneau fendu, appelé « cavité sombre ». Cette cavité spéciale peut modifier l’environnement électromagnétique environnant et améliorer considérablement les fluctuations du vide.
Les chercheurs ont ensuite placé le matériau supraconducteur NbSe₂ à l'intérieur de la cavité sombre térahertz, ont construit un dispositif couplant le supraconducteur à la cavité sombre et l'ont comparé à des matériaux similaires à l'extérieur de la cavité. Les résultats expérimentaux montrent qu'après son entrée dans la cavité sombre, la température critique supraconductrice du NbSe₂ augmente considérablement. Dans le dispositif NbSe₂ à six couches, la température critique a augmenté jusqu'à 5,4 %. Dans le même temps, le courant critique et le champ magnétique critique ont également augmenté de manière significative à proximité de la transition supraconductrice.
La température critique supraconductrice est un indicateur important pour juger des performances des matériaux supraconducteurs. Ce n’est que lorsque la température du matériau descend en dessous de cette valeur critique qu’il peut entrer dans l’état supraconducteur. Une augmentation de la température critique signifie que le matériau peut rester supraconducteur à une température plus élevée, tandis qu'une augmentation du courant critique et du champ magnétique critique signifie que l'état supraconducteur peut résister à des courants et des champs magnétiques plus importants.
Pour confirmer que cette amélioration n'était pas causée par d'autres facteurs physiques ordinaires, les chercheurs ont mené un grand nombre d'expériences contrôlées. Ils ont systématiquement modifié la géométrie et la fréquence caractéristique de la cavité sombre, tout en modifiant des paramètres tels que l'épaisseur du matériau, le matériau diélectrique et la structure de la bande métallique. Les résultats expérimentaux excluent des facteurs tels que la déformation, la dégradation des matériaux, l'inhomogénéité des matériaux et le blindage métallique comme principales raisons.
La preuve la plus critique provient des changements dans la fréquence caractéristique de la cavité sombre. Lorsque les chercheurs ont modifié la fréquence caractéristique de la cavité sombre, l’effet d’amélioration supraconductrice n’a pas simplement changé avec la fréquence, mais a montré un pic évident. Lorsque la fréquence caractéristique de la cavité atteint une plage spécifique, les performances supraconductrices sont particulièrement améliorées.
Les chercheurs pensent que ce comportement de pic, étroitement lié aux propriétés optiques de la cavité, constitue une base expérimentale importante pour le couplage entre l'état supraconducteur et le mode de la cavité sombre. En d’autres termes, les résultats de la recherche ne montrent pas simplement que « placer un matériau supraconducteur dans une cavité spéciale le rendra plus résistant », mais montrent qu’il existe une interaction avec les caractéristiques de résonance entre l’état supraconducteur et les modes électromagnétiques spécifiques de la cavité.
Afin d'expliquer davantage le phénomène expérimental, l'équipe de Jiang Qingdong, Wilczek et d'autres ont établi un modèle théorique. Ils ont utilisé le cadre théorique de Ginzburg-Landau pour proposer que l'état supraconducteur puisse interagir avec la cavité sombre via des photons virtuels. Cette interaction peut réduire l’énergie de l’état supraconducteur, rendant ainsi l’état supraconducteur plus stable et améliorant finalement les propriétés supraconductrices.
Lorsque l'énergie caractéristique du mode cavité sombre correspond à la fluctuation de faible énergie dans le système supraconducteur, le couplage entre les deux atteint un état de résonance, de sorte que le pic de l'effet d'amélioration supraconducteur apparaît dans l'expérience.
La particularité de cette étude est que les chercheurs n'ont pas amélioré la supraconductivité par un entraînement externe au sens traditionnel du terme, mais ont obtenu un contrôle en modifiant l'environnement de vide quantique dans lequel se trouve le matériau. En d’autres termes, le vide lui-même n’est plus simplement un arrière-plan passif hébergeant des phénomènes physiques, mais peut devenir un outil actif pour influencer l’état quantique de la matière grâce à des cavités soigneusement conçues.
Les chercheurs ont déclaré que cette méthode offre une nouvelle façon de contrôler les matériaux quantiques sans contact. Au lieu d'appliquer directement des champs électriques externes, des champs magnétiques ou d'autres méthodes de pilotage, les chercheurs modifient principalement l'environnement de vide électromagnétique autour du matériau en concevant la structure de la cavité, affectant ainsi l'état supraconducteur.
Si la structure de la cavité sombre et le système matériel utilisé peuvent être encore optimisés à l'avenir, le couplage entre les fluctuations du vide et les matériaux quantiques pourrait être encore amélioré et devrait être étendu à davantage de types d'états quantiques et de matériaux quantiques.
Cette recherche signifie également que la façon dont les humains utilisent le « vide » pourrait changer. Dans le passé, le vide était davantage considéré comme un environnement qui devait éliminer les interférences dans les expériences, mais le développement de la physique quantique a prouvé que le vide n'est pas vraiment « rien ». Cette expérience montre en outre qu'en concevant artificiellement un environnement sous vide, de faibles fluctuations quantiques à l'origine peuvent même être transformées en un outil de régulation des matériaux quantiques macroscopiques, ouvrant ainsi une nouvelle direction d'exploration pour la future technologie supraconductrice et la recherche sur les matériaux quantiques.
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