De leegte die supergeleiding versterkt: hoe kwantumfluctuaties van het vacuüm de temperatuur van NbSe₂ verhoogden

Het vacuüm in de gangbare betekenis is een leegte waarin niets is. Maar in de kwantumfysica wemelt zelfs de ‘lege’ ruimte van virtuele deeltjes die ontstaan en verdwijnen en zo voortdurende fluctuaties veroorzaken. Juist deze onzichtbare trillingen hebben wetenschappers voor het eerst gebruikt om de supergeleiding van een materiaal te versterken, zonder direct contact of externe invloed.

Onderzoekers van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China plaatsten een ultradun niobiumdiselenide (NbSe₂) in een speciale ‘donkere’ holte — een terahertz-resonator met een gespleten ring. Een dergelijke constructie versterkt de kwantumfluctuaties van het elektromagnetische veld in het vacuüm. Als gevolg daarvan steeg de overgangstemperatuur van de supergeleiding met 5,4 % in een zeslagig monster, en namen ook de kritische stroom en het kritische magnetische veld merkbaar toe.

Supergeleiding ontstaat wanneer elektronen paren vormen en bij lage temperaturen zonder weerstand bewegen. Gewoonlijk zijn voor het verhogen van deze temperatuur chemische toevoegingen, druk of sterke magnetische velden nodig. Hier is het effect echter bereikt door de uitwisseling van virtuele fotonen tussen het materiaal en het versterkte vacuüm van de holte. De energie van de supergeleidende toestand daalt, waardoor deze stabieler wordt.

De wetenschappers voerden een reeks controle-experimenten uit waarbij zij de geometrie van de holte, de frequentie en de materialen veranderden om gewone oorzaken zoals mechanische spanning of verontreiniging uit te sluiten. De versterking trad op resonante wijze op — alleen wanneer de frequentie van de holte samenviel met de laagenergetische fluctuaties van de supergeleider. Dit bevestigde de rol van juist het kwantumvacuüm.

De ontdekking legt de basis voor een nieuwe benadering — ‘vacuumronica’, waarbij een speciaal ontworpen leegte een instrument wordt voor het beheersen van kwantumtoestanden. De methode vereist geen directe energie-inbreng en kan contactloos werken, wat bijzonder waardevol is voor kwetsbare nanostructuren.

In de toekomst kunnen dergelijke holtes helpen bij het creëren van efficiëntere supergeleiders voor kwantumcomputers, magnetische-resonantietomografen en energiebesparende elektriciteitsleidingen. De leegte houdt op een passieve achtergrond te zijn en verandert in een actieve deelnemer aan kwantumprocessen.