中国科大首次实现真空涨落对超导的增强效应
发布时间: 2026-08-31 09:38:51
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）
本文链接：http://knowith.com/news-3-6462.html中国科大首次实现真空涨落对超导的增强效应
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