Die Leere, die die Supraleitung verstärkt: Wie Quantenfluktuationen des Vakuums die Temperatur von NbSe₂ erhöhten

Das Vakuum im herkömmlichen Verständnis ist eine Leere, in der nichts existiert. Doch in der Quantenphysik wimmelt selbst der „leere“ Raum von virtuellen Teilchen, die entstehen und vergehen und dabei ständige Fluktuationen erzeugen. Genau diese unsichtbaren Schwingungen nutzten Wissenschaftler erstmals, um die Supraleitung eines Materials ohne direkten Kontakt oder äußere Einwirkung zu verstärken.

Forscher der Universität für Wissenschaft und Technik China platzierten ultradünnes Niobdiselenid (NbSe₂) in einen speziellen „dunklen“ Hohlraum – einen Terahertz-Resonator mit gespaltenem Ring. Diese Konstruktion verstärkt die Quantenfluktuationen des elektromagnetischen Feldes im Inneren des Vakuums. Infolgedessen stieg die Übergangstemperatur der Supraleitung in der sechslagigen Probe um 5,4 %, und auch der kritische Strom und das kritische Magnetfeld nahmen merklich zu.

Supraleitung entsteht, wenn Elektronen Paare bilden und sich bei niedrigen Temperaturen ohne Widerstand bewegen. Üblicherweise sind für die Erhöhung dieser Temperatur chemische Zusätze, Druck oder starke Magnetfelder erforderlich. Hier jedoch wurde der Effekt durch den Austausch virtueller Photonen zwischen dem Material und dem verstärkten Vakuum des Hohlraums erzielt. Die Energie des supraleitenden Zustands wird gesenkt, wodurch er stabiler wird.

Die Wissenschaftler führten eine Reihe von Kontrollexperimenten durch, bei denen sie die Geometrie des Hohlraums, die Frequenz und die Materialien variierten, um gewöhnliche Ursachen wie mechanische Spannung oder Verunreinigungen auszuschließen. Die Verstärkung zeigte sich auf resonante Weise – nur bei Übereinstimmung der Hohlraumfrequenz mit den niederenergetischen Fluktuationen des Supraleiters. Dies bestätigte die Rolle gerade des Quantenvakuums.

Die Entdeckung legt den Grundstein für einen neuen Ansatz – die „Vakuumronik“, bei der eine gezielt entworfene Leere zum Instrument der Steuerung von Quantenzuständen wird. Die Methode erfordert keine direkte energetische Einwirkung und kann berührungslos arbeiten, was besonders für fragile Nanostrukturen wertvoll ist.

Perspektivisch werden solche Hohlräume helfen, effizientere Supraleiter für Quantencomputer, Magnetresonanztomographen und energiesparende Stromleitungen zu schaffen. Die Leere hört auf, ein passiver Hintergrund zu sein, und wird zu einem aktiven Teilnehmer an Quantenprozessen.