無需照光：量子漲落也能影響超導(dǎo)表現(xiàn)

量子力學(xué)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(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)首次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(nèi)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(zhì)。他們將一片納米尺度的六方氮化硼（hBN）薄片放在在有機(jī)超導(dǎo)材料κ-ET之上；在未加入任何激光或外部驅(qū)動力的情況下，κ-ET的超導(dǎo)性被強(qiáng)烈抑制。

不同尋常的光學(xué)腔

在超導(dǎo)材料中，當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)，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(qiáng)它。

在新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)想知道，由光學(xué)腔調(diào)控的光-物質(zhì)相互作用，是否也能改變超導(dǎo)態(tài)。光學(xué)腔是一種“捕光”裝置，通過將光限制在其中，就可以增強(qiáng)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(zhì)。

研究人員構(gòu)建了一種不同尋常的光學(xué)腔。與兩面鏡子相對的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，這個(gè)空腔是由hBN薄片制成，它覆蓋在超導(dǎo)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(jié)構(gòu)。正是這種結(jié)構(gòu)使hBN具有各向異性：光在層內(nèi)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)證據(jù)

在新實(shí)驗(yàn)中，光學(xué)腔鄰近的材料就是κ-ET。κ-ET是一種當(dāng)被冷卻至11.5開爾文時(shí)，便會轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的有機(jī)超導(dǎo)材料。κ-ET中存在一種發(fā)生在兩個(gè)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(rèn)為為可能與其超導(dǎo)態(tài)相關(guān)。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(xué)顯微鏡（SNOM）的測量技術(shù)在實(shí)驗(yàn)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(xué)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(yīng)。當(dāng)一種材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)，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(yīng)。這種效應(yīng)的強(qiáng)度取決于參與超導(dǎo)的電子密度，即超流密度。研究人員發(fā)現(xiàn)，光學(xué)腔的存在，會使κ-ET中的超流密度被強(qiáng)烈抑制——在靠近光學(xué)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果好到令人難以置信：真空漲落極其微弱，但觀測到的效應(yīng)卻非常巨大——在κ-ET中，超導(dǎo)性被抑制的范圍幾乎達(dá)到1/2微米——是所用hBN薄片寬度的10倍。

重塑材料性質(zhì)

或許這項(xiàng)工作最令人興奮的部分仍在后面。如果一個(gè)共振光學(xué)腔能夠通過重塑某一特定振動的漲落來抑制超導(dǎo)性，那么另一種光學(xué)腔設(shè)計(jì)也許就能通過把這些漲落推向相反方向來增強(qiáng)超導(dǎo)性。

無論如何，這項(xiàng)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(dǎo)致其性質(zhì)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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Ella Maru Studio