無需照光：量子漲落也能影響超導表現(xiàn)

量子力學告訴我們，空間中充滿了電磁場；即使沒有光的情況下，電磁場也會呈現(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。

在一項新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個研究團隊首次通過實驗證實了一種長期停留在理論層面的可能性：僅憑二維材料原子級薄層內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。他們將一片納米尺度的六方氮化硼（hBN）薄片放在在有機超導材料κ-ET之上；在未加入任何激光或外部驅動力的情況下，κ-ET的超導性被強烈抑制。

不同尋常的光學腔

在超導材料中，當溫度低于臨界溫度時，電流就可以無電阻流動。然而，這種量子態(tài)對外部條件極其敏感：溫度變化、外加磁場，甚至照明，都可能削弱或增強它。

在新的研究中，研究團隊想知道，由光學腔調控的光-物質相互作用，是否也能改變超導態(tài)。光學腔是一種“捕光”裝置，通過將光限制在其中，就可以增強光與鄰近材料之間的有效相互作用，從而改變該材料的性質。

研究人員構建了一種不同尋常的光學腔。與兩面鏡子相對的傳統(tǒng)結構不同，這個空腔是由hBN薄片制成，它覆蓋在超導體表面，起到“封頂”的作用。

hBN屬于范德華材料，其典型特征是層狀結構。正是這種結構使hBN具有各向異性：光在層內平面中的傳播方式不同于在平面外的傳播方式。在特定波長下，hBN的各向異性會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限制在極小體積中。在如此強的約束下，即便微弱的量子真空漲落也能被放大，從而使鄰近材料對處在hBN雙曲模式能量尺度上的微擾變得異常敏感。

實驗證據

在新實驗中，光學腔鄰近的材料就是κ-ET。κ-ET是一種當被冷卻至11.5開爾文時，便會轉變?yōu)槌瑢B(tài)的有機超導材料。κ-ET中存在一種發(fā)生在兩個碳原子之間（C=C）的分子振動，被稱為C=C伸縮模式，長期以來被認為為可能與其超導態(tài)相關。C=C振動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。

研究人員通過一種名為掃描近場光學顯微鏡（SNOM）的測量技術在實驗上證明：C=C分子振動會與hBN的雙曲模式發(fā)生雜化。但SNOM屬于依賴光子的光學工具，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——他們使用了一臺低溫磁力顯微鏡（MFM）。

MFM以很高的空間分辨率定量測量κ-ET中的邁斯納效應。當一種材料進入超導態(tài)時，外部磁場會被排斥出材料，這一現(xiàn)象就被稱為邁斯納效應。這種效應的強度取決于參與超導的電子密度，即超流密度。研究人員發(fā)現(xiàn)，光學腔的存在，會使κ-ET中的超流密度被強烈抑制——在靠近光學腔界面的區(qū)域，超流密度最多下降了50%。

研究人員表示，MFM實驗的結果好到令人難以置信：真空漲落極其微弱，但觀測到的效應卻非常巨大——在κ-ET中，超導性被抑制的范圍幾乎達到1/2微米——是所用hBN薄片寬度的10倍。

重塑材料性質

或許這項工作最令人興奮的部分仍在后面。如果一個共振光學腔能夠通過重塑某一特定振動的漲落來抑制超導性，那么另一種光學腔設計也許就能通過把這些漲落推向相反方向來增強超導性。

無論如何，這項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，也能導致其性質發(fā)生廣泛改變。

#參考來源：

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

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封面圖&首圖：Ella Maru Studio