中国科学技术大学首次实现真空涨落对超导的增强效应

时间:2026-08-20 编辑:高考加油站

　　近日,中国科学技术大学物理学院曾长淦教授、程广珲教授领衔的研究团队,联合上海交通大学蒋庆东教授以及麻省理工学院Frank Wilczek教授(2004年诺贝尔物理学奖得主)等合作者,在量子物态调控领域取得重要进展,首次利用暗腔实现了真空涨落增强超导(图a).如何将微弱的真空涨落转化为调控宏观量子物态的有效资源,是凝聚态物理与腔量子电动力学交叉领域追寻的重要目标.本工作实现了这一关键跨越,为真空物态调控开辟了新的研究方向.该工作以“Evidence for vacuum-enhanced superconductivity in NbSe2”为题,于8月19日以加速文章预览(Accelerated Article Preview)形式发表在《自然》.

　　真空并非真正意义上的“空无一物”,在量子电动力学的世界里,根据海森堡不确定原理,其基态具有不可消除的零点能,伴随着虚粒子的不断产生与湮灭.因此,真空空间可被视为充满真空涨落的动态“海洋”.兰姆移位、自发辐射、卡西米尔效应等一系列经典现象,为真空涨落的存在提供了有力实验证据.

　　曾长淦团队近些年致力于凝聚态体系中量子涨落效应的研究.在前期的工作中,研究团队开展了对真空涨落效应本身的调控,成功实现了磁场下卡西米尔力由吸引到排斥的可逆转变(Nat. Phys. 20, 1282–1287 (2024)).这一研究启发团队进一步思考:能否利用真空涨落,实现对宏观量子物态的可控调节?与这一实验探索相呼应,蒋庆东教授团队近年来持续开展量子真空调控物态的理论研究,并提出通过工程化真空环境调控电子和光子行为的“真空电子学”(vacuumronics)研究构想,为阐释本工作中真空增强超导的物理机制奠定了理论基础.

　　自由空间中的真空涨落强度通常较弱,很难对宏观凝聚态物质产生可观测效应.为此,研究团队引入太赫兹分裂环谐振器构成的“暗腔”.该暗腔无需外部驱动,通过重塑电磁环境,可显著增强真空涨落.研究团队将超导体NbSe2嵌入太赫兹暗腔,构建超导体-暗腔耦合器件(图b).通过系统对比腔外与腔内超导体特性,研究团队发现,NbSe2的超导临界温度获得实质性提高(图c).在六层NbSe2器件中观测到超导临界温度的提升达到5.4%.与此同时,超导体的临界电流和临界磁场在超导转变附近显著增强.这项工作是真空涨落增强超导的首次实验观测.

　　图: (a)真空涨落增强超导示意图;(b)超导体-暗腔耦合器件示意图;(c)腔外与腔内超导电输运结果对比;(d)超导增强系数对暗腔特征频率的依赖关系;(e)超导态与暗腔交换虚光子的费曼图.

　　为厘清超导增强来源,团队围绕腔体几何结构和特征频率、材料厚度、介电材料和金属条带等多个维度,开展了系统而严格的对照实验,有效排除了应变、材料退化、非均匀性以及金属屏蔽效应等常规因素的影响.特别是,实验发现超导增强效应随暗腔特征频率呈现共振峰形依赖关系(图d),这一与腔体光子学特征紧密相关的结果,为超导态与暗腔模式之间的耦合提供了有力的实验证据.

　　蒋庆东教授研究组与Frank Wilczek教授共同承担了本工作的理论建模与机制阐释.基于Ginzburg-Landau理论框架,他们提出,超导态与暗腔交换虚光子,降低超导态能量,从而增强超导(图e).当腔模的特征能量(由腔体特征频率决定)与超导材料的低能涨落能量相匹配时,系统表现出共振增强,即图d展示的超导增强效应达到峰值.

　　该研究利用腔体工程化真空涨落,实现了对超导稳态的无外部驱动、非接触式的增强.不同于电接触栅压或光泵浦等手段,该方法通过超导体与暗腔真空场耦合,改变超导态能量进而提升超导性,为量子材料研究提供了一种新的“非接触式旋钮”.这一工作不仅为探索超导机理与设计超导器件带来新思路,也展现出真空涨落工程应用于更多量子物态的潜力.未来,随着腔体结构和材料体系的进一步优化,真空涨落耦合有望实现更显著、更广泛的量子物态调控效应.

　　中国科学技术大学物理学院博士生王哲研为论文第一作者,曾长淦教授、程广珲教授、蒋庆东教授、Frank Wilczek教授为论文共同通讯作者.该研究得到了国家自然科学基金委、教育部、中国科学院、合肥国家实验室、安徽省及中国科学技术大学等的支持.

　　论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-026-11037-x

　　(物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部)

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