这项发表在《自然》（Nature）上的研究由中国科学院中国科学技术大学的曾长淦教授和程光慧教授领导。合作者还包括上海交通大学的蒋庆东教授、麻省理工学院的弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）教授以及其他研究人员。
真空并非真正的空无一物
在日常用语中，真空听起来可能像是完全空无一物的空间。但量子物理学描绘了一幅截然不同的图景。
根据量子电动力学和海森堡不确定性原理，即使是最低能量态也绝非绝对静止。虚粒子不断出现和消失，产生了一种始终存在的量子涨落背景。
这些涨落不仅仅是理论上的。它们的效应已通过兰姆位移、自发辐射和卡西米尔效应等成熟现象得到观察。
几年来，曾和程领导的团队一直在研究这些真空涨落如何影响凝聚态系统。在早期的一项研究中，研究人员表明他们可以通过使用磁场在吸引和排斥之间可逆地切换卡西米尔力，从而直接操纵真空涨落。
这一结果引出了一个更大的问题：量子真空涨落是否也能用于控制宏观量子态？
将真空转化为控制工具
蒋的团队从理论角度探讨了同一问题，研究了人工设计的量子真空环境如何影响不同的物质状态。
研究人员引入了“真空电子学”（vacuumronics）的概念，即利用专门设计的真空环境来控制电子和光子行为。这项理论工作为理解新实验中观察到的超导性增强提供了一个框架。
“自由空间中的真空涨落通常太弱，无法在宏观凝聚态系统中产生可观察的效应，”曾教授说。“为了克服这一限制，我们引入了太赫兹开口环谐振器。这种暗腔可以重塑电磁环境并大幅放大真空涨落。”
为了在实验上验证这一想法，研究人员将超导体二硒化铌（NbSe2）置于太赫兹暗腔中。这创建了一个耦合系统，其中超导材料与腔内专门设计的电磁环境发生了相互作用。
随后，团队比较了该材料在腔内外的超导行为。结果表明，将NbSe2置于腔中显著提高了其超导临界温度，即材料低于该温度时进入超导状态的温度阈值。
超导性变得更强
“我们观察到，在六层NbSe2器件中，临界温度最高可增加5.4%，同时临界电流和临界磁场在超导转变附近显著增强，”程教授说。“这代表了对真空涨落增强超导性的首次实验观察。”
研究人员进行了一系列对照实验，以确定该效应是否可以用材料更常规的变化来解释。
他们改变了装置的几个属性，包括腔体几何形状、特征频率、材料厚度、介电材料和金属条。结果使他们能够排除涉及应变、材料退化、不均匀性以及金属屏蔽效应的解释。
最强烈的线索之一来自超导性增强与暗腔特征频率之间的关系。这种增强并非平滑变化，而是在特定频率下表现出类似共振的峰值。
“这一结果与腔的光子特性密切相关，为超导态与暗腔模式之间的耦合提供了强有力的实验证据，”曾教授说。
虚光子或可解释该效应
为了解释发生的情况，蒋的团队和维尔切克基于金兹堡-朗道（Ginzburg-Landau）框架开发了一个理论模型。
他们的解释表明，超导态与暗腔交换虚光子。这种相互作用降低了超导态的能量，使超导性更加稳定，并有效地增强了超导性。
“当腔模式的特征能量与低能超导涨落相匹配时，NbSe2器件表现出共振增强，从而产生了超导性增强的峰值，”蒋教授说。
这一结果改变了物理学家通常对真空的看法。量子真空不再仅仅作为一个空无一物的背景，它有可能通过人工设计来影响物质本身的行为。
“在大多数实用物理学中，真空仅仅是现象发生的被动舞台。这项工作表明，背景本身可以成为一个演员——通过工程设计来增强超导性并重塑量子物质的行为，”维尔切克教授说。
控制量子物质的新方法
这种方法在不使用外部能源直接驱动材料的情况下增强了超导性。相反，研究人员重塑了周围的真空环境，提供了一种影响物质量子态的非接触式方法。
这可能最终使人工设计的真空涨落成为超导体和其他量子材料的一种有用的新型控制机制。
“随着腔体结构和材料系统的进一步优化，真空涨落耦合可能实现对量子态更显著且更广泛适用的控制，”曾教授说。