真空里動(dòng)動(dòng)手腳？科學(xué)家用“什么都沒有”關(guān)掉了超導(dǎo)

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想象一下，你坐在一間絕對安靜的房間里。沒有聲音，沒有光線，甚至溫度都降到了絕對零度附近。按常理，這里應(yīng)該是“死寂”一片，什么都不會(huì)發(fā)生。但在量子力學(xué)的世界里，即便在這樣的“真空”里，也從未真正平靜過。總有那么一些能量在“折騰”，它們就是量子漲落。

現(xiàn)在，科學(xué)家們第一次實(shí)打?qū)嵉刈C明了，這些源自“真空”的微小漲落，竟然有本事關(guān)掉旁邊一塊晶體的超導(dǎo)性。這聽起來有點(diǎn)像科幻小說，但它真實(shí)地發(fā)生了。

這項(xiàng)聽起來匪夷所思的研究，2月26日發(fā)表在《自然》雜志上。領(lǐng)頭的是哥倫比亞大學(xué)的德米特里·巴索夫教授，和他來自全球17個(gè)機(jī)構(gòu)的32位同事。

故事的起點(diǎn)很有趣，要追溯到幾年前紐約的中央公園。當(dāng)時(shí)，來自德國馬克斯·普朗克研究所的理論物理學(xué)家安赫爾·魯維奧，向巴索夫教授描繪了一個(gè)誘人的設(shè)想：能否利用真空中的量子漲落來改變材料的性質(zhì)？巴索夫教授的第一反應(yīng)是：“這不可能。”但他也承認(rèn)，“這個(gè)想法太迷人了，讓人忍不住想去試一試。”

關(guān)鍵在于，怎么試？要知道，量子漲落極其微弱，通常被認(rèn)為在宏觀世界里掀不起任何波瀾?？茖W(xué)家們需要找到一個(gè)完美的“放大器”。

研究人員找來了兩樣?xùn)|西。一樣是一種名叫κ-ET的有機(jī)超導(dǎo)體。另一樣，是一層薄到只有納米級別的六方氮化硼（hBN），一種在實(shí)驗(yàn)室里常用作絕緣墊片的二維材料。

他們把這片小小的六方氮化硼“貼”到了κ-ET超導(dǎo)體上。神奇的事情發(fā)生了：在沒有施加任何激光、電場或磁場的情況下，κ-ET的超導(dǎo)性被“關(guān)閉”了，而且影響的區(qū)域比hBN薄片本身的尺寸還要大上十倍。

為什么會(huì)這樣？打個(gè)比方，好比你有一座用特定頻率震動(dòng)的大橋（κ-ET超導(dǎo)體）。當(dāng)你把一個(gè)自帶相同頻率震動(dòng)的小音叉（hBN）放上去時(shí)，兩者就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用。hBN層與層之間的量子漲落，正好有著和κ-ET晶體振動(dòng)相匹配的特征頻率。當(dāng)兩者“對上暗號”，hBN中的量子漲落就改變了κ-ET內(nèi)部的電磁環(huán)境，擾亂了電子們步調(diào)一致、形成無電阻超導(dǎo)電流的“隊(duì)列”，從而抑制了超導(dǎo)態(tài)。

為了驗(yàn)證這不是巧合，他們又用hBN去測試了另一種振動(dòng)頻率不同的超導(dǎo)體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)什么影響都沒有。這有力地證明了，“頻率匹配”是關(guān)鍵。

這項(xiàng)突破的意義，遠(yuǎn)不止是找到了一個(gè)“關(guān)掉”超導(dǎo)的新方法。它更像是一種全新的、利用“真空”來調(diào)控材料的思路。

以前，科學(xué)家想要改變材料的性質(zhì)，通常需要給它“加料”，比如施加高壓、改變溫度，或者用激光轟擊。這些方法雖然有效，但效果往往是短暫的，外力一消失，材料就恢復(fù)了原狀。

而這次實(shí)驗(yàn)展示的是一種“非接觸”的、更持久的調(diào)控方式。它就像是給材料“穿上”一件由量子漲落編織的“外衣”，通過精心設(shè)計(jì)這件“外衣”（即“光學(xué)腔”的結(jié)構(gòu)），就能反過來“馴服”材料內(nèi)部的電子行為。

在這項(xiàng)研究中，六方氮化硼就扮演了這個(gè)“光學(xué)腔”的角色。它是一種所謂的“雙曲材料”，內(nèi)部結(jié)構(gòu)能讓微弱的振動(dòng)被極大增強(qiáng)，就好比一個(gè)人的小聲哼唱，在一個(gè)設(shè)計(jì)精巧的音樂廳里，能變成響徹全場的共鳴。

這意味著，科學(xué)家未來可以通過改變hBN的厚度、層數(shù)等參數(shù)，來精確地“調(diào)諧”這個(gè)量子腔，從而隨心所欲地控制超導(dǎo)體，甚至是其他材料，比如特定的磁性材料或鐵電材料。

此外，整個(gè)實(shí)驗(yàn)最關(guān)鍵的一步——“在完全黑暗中”證明量子漲落的作用，離不開另一位哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)教授阿巴伊·帕蘇帕西的貢獻(xiàn)。他提供了一臺(tái)極低溫下的磁力顯微鏡（MFM）。這臺(tái)儀器能夠探測到超導(dǎo)體那微弱的抗磁性（即邁斯納效應(yīng)），即便超導(dǎo)體被其他材料覆蓋著也沒關(guān)系?？梢哉f，沒有這臺(tái)“火眼金睛”，科學(xué)家就無法在“真空”的黑暗環(huán)境中，親眼看到超導(dǎo)性被關(guān)閉的過程。

從某種角度看，這項(xiàng)研究也體現(xiàn)了中國在量子材料和二維材料研究領(lǐng)域已經(jīng)占據(jù)了重要位置。不僅有像張帥這樣的青年科學(xué)家在國際前沿做出關(guān)鍵貢獻(xiàn)后回國發(fā)展，國內(nèi)眾多研究組也在二維材料異質(zhì)結(jié)、超導(dǎo)調(diào)控等領(lǐng)域持續(xù)產(chǎn)出高水平成果。這次“真空調(diào)控超導(dǎo)”的突破，無疑為這個(gè)蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域，指明了一個(gè)充滿想象力的新方向。

誰能想到呢？給材料帶來革命性改變的，竟然是“什么都沒有”的真空。下一次，當(dāng)科學(xué)家們談?wù)摗盁o中生有”時(shí)，我們或許應(yīng)該認(rèn)真聽一聽了。