Сверхпроводники давно вышли за пределы лабораторий и стали частью техники — от мощных магнитов в ускорителях до чувствительных датчиков в медицине. Их главное свойство, пропускать ток без сопротивления, до сих пор выглядит магией. За ним, конечно, стоит наука. А точнее — сложная картина квантовых процессов, где на поведение материала влияют не только привычные внешние условия, но и то, что происходит в пространстве вокруг.
Речь о виртуальных фотонах — особых возбуждениях электромагнитного поля. Эти квазичастицы нельзя увидеть и зарегистрировать напрямую, ведь они существуют лишь мгновение, пока передают взаимодействие. Тем не менее недавний эксперимент показал, что такие мнимые кванты света способны заметно менять сверхпроводящие свойства, причем без внешнего излучения — просто соседний материал «настраивает» окружающий вакуум.
Квантовые поля и структура вакуума
По квантовой теории даже пустое пространство не бывает пустым. Квантовая неопределенность вызывает крошечные колебания электромагнитного поля. Иногда их можно описать как кратковременные возбуждения, которые называют виртуальными: они не существуют как отдельные частицы. Через такие процессы и передаются электромагнитные взаимодействия на микроскопическом уровне.
В отличие от настоящих фотонов, которые мы видим как свет или фиксируем детекторами, псевдообразования не уносят энергию вдаль и не оставляют следа. Они работают посредниками: помогают зарядам обмениваться импульсом и формируют, например, силу Казимира между двумя близко расположенными пластинами. Влияние идет через легкое смещение энергетических уровней в соседних системах, хотя самих частиц мы никогда не увидим.
Около материала с особой атомной решеткой картина меняется. Структура усиливает определенные частоты этих фоновых колебаний, делая их плотность намного выше в узком диапазоне. Вакуум перестает быть нейтральным фоном и начинает взаимодействовать с тем, что поблизости. Выходит, можно управлять свойствами вещества косвенным путем, просто меняя окружение.
Эффект давно известен в теории, но проверить его на практике в макроскопических масштабах было непросто. К счастью, появились удобные материалы, которые показывают, как эти невидимые процессы меняют поведение электронов в целых слоях. Что за материалы?
Кристаллы и резонанс вакуумных колебаний
Слоистые кристаллы с правильной двумерной решеткой интересны в этом плане. Атомы в них образуют плоские сетки, уложенные одна на другую, что создает сильную анизотропию: волны распространяются по-разному вдоль слоев и поперек них. Материал, естественный фильтр, пропускает и усиливает только определенные длины волн.
Гексагональный нитрид бора — пример такого кристалла. Его шестиугольные сетки из атомов бора и азота напоминают графен, но обладают другими оптическими свойствами. В инфракрасной области нитрид бора поддерживает особые поляритонные моды, где колебания решетки тесно связаны с электромагнитным полем. В результате около поверхности плотность фоновых возбуждений на этих частотах резко возрастает.
Внешнего источника света или энергии не требуется. Все происходит за счет геометрии атомов и свойств квантового вакуума. Материал словно настраивает окружающее пространство, создавая усиленный фон именно там, где нужно. Если рядом окажется система с вибрациями в том же диапазоне, между ними возникнет канал передачи влияния.
Такая избирательность делает нитрид бора удобным инструментом. Меняя покрытие, можно по-разному «щупать» внутренние процессы в других веществах и видеть, какие колебания в них откликаются.
В эксперименте использовали органический сверхпроводник κ-(BEDT-TTF)₂Cu[N(CN)₂]Br — сложное по составу соединение, которое для удобства называют κ-ET. У него критическая температура всего двенадцать кельвинов, но механизм перехода в сверхпроводящее состояние отличается от классических металлов. Здесь важную роль играют сложные электронные корреляции и колебания молекул внутри кристалла.
Одна из характерных вибраций — движение двойной связи между атомами углерода — как раз попадает в тот инфракрасный диапазон, где особенно активен нитрид бора. Совпадение частот и стало ключом к эксперименту. Тонкую пленку κ-ET покрыли слоем нитрида бора и охладили до нужной температуры, полностью исключив любые внешние источники света.
Измеряли эффект Мейснера — способность сверхпроводника вытеснять магнитное поле. Чем сильнее это состояние, тем труднее «продавить» поле внутрь, поднося магнит к образцу. Оказалось, что со слоем нитрида бора магнитное поле проникает глубже. Значит, сверхпроводящее состояние ослабевает — материал хуже удерживает поле снаружи, отклик слабее.
Ну и, чтобы убедиться в причине, провели контрольные опыты. Заменили покрытие на другие слоистые материалы без нужного резонанса — ничего не поменялось. Взяли иной сверхпроводник, без совпадения частот, — эффект тоже исчез. Работает именно резонансное взаимодействие через фон вакуума.
Механизм влияния на сверхпроводимость
Мнимые кванты не переносят энергию в обычном смысле, но создают дополнительный электромагнитный фон. Он немного сдвигает энергетические уровни электронов и мешает их согласованному движению. В сверхпроводнике электроны объединяются в пары и должны двигаться строго синхронно, так что даже небольшое усиление этого фона снижает их когерентность.
В результате магнитное поле глубже проникает в материал, а критическое состояние достигается при меньшей «силе» сверхпроводимости. Эффект проявляется преимущественно у самой границы с нитридом бора — пока трудно сказать, насколько далеко он распространяется внутрь слоя. Возможно, при других толщинах покрытия или условиях влияние расширится.
Воздействие принципиально отличается от привычных. Обычно сверхпроводимость меняют температурой, давлением или составом. Здесь же вмешиваются косвенно — через соседний материал, который просто усиливает нужные колебания вакуума. Получается третий независимый канал управления, не требующий перестройки вещества.
Интересно, как в данном случае сверхпроводимость не усиливается, а подавляется. Это показывает слабые места механизма: по тому, какие именно внутренние вибрации откликаются на внешний фон, понятнее, что отвечает за переход в состояние нулевого сопротивления.
Практический потенциал
Итак, виртуальные возбуждения меняют макроскопические свойства материала и позволяют влиять на квантовые состояния без прямого контакта. Слоистые кристаллы вроде нитрида бора удобны для такого тонкого регулирования.
У разных материалов спектры резонансов отличаются. Значит, можно будет подбирать покрытия под конкретные задачи: проверять разные каналы взаимодействия внутри сверхпроводника или даже усиливать сверхпроводимость, а не ослаблять.
О применении в энергетике и электронике говорить рано. Эффект слабый, работает только при низких температурах и требует очень точно подобрать материалы. Но сам по себе результат важен: оказывается, даже вакуумом меняют свойства вещества.
