Ученые из Отдела теории Института структуры и динамики вещества Макса Планка (MPSD) в Центре лазерных наук на свободных электронах (CFEL) в Гамбурге, Германия, показали с помощью теоретических расчетов и компьютерного моделирования, что сила между электронами и искажения решетки в атомно тонком двумерном сверхпроводнике можно контролировать с помощью виртуальных фотонов. Это может помочь в разработке новых сверхпроводников для энергосберегающих устройств и многих других технических приложений.

Вакуумные флуктуации света (желтая волна) усиливаются в оптическом резонаторе (верхнее и нижнее отражающие зеркала). Вибрационные колебания кристаллической решетки (красные атомы) на двумерной границе раздела создают сильную световую волну. Таким образом, смешанные световые колебательные волны особенно сильно соединяются с электронами в двумерном атомно тонком материале (зеленый и желтый атомы), изменяя его свойства. Фото: Дж. М. Хармс, МПСД

Вакуум не пустой. Для мирян это может звучать как волшебство, но проблема заняла физиков с момента рождения квантовой механики. Кажущаяся пустота пузырится непрерывно и производит колебания света даже при абсолютной нулевой температуре. В некотором смысле, эти виртуальные фотоны просто ждут, чтобы их использовали. Они могут нести силы и изменять свойства материи.

Например, известно, что сила вакуума вызывает эффект Казимира. Когда кто-то двигает две параллельные металлические пластины конденсатора очень близко друг к другу, они чувствуют микроскопически небольшое, но измеримое притяжение между собой, даже если пластины не заряжены электрически. Это притяжение создается путем обмена виртуальными фотонами между пластинами, подобно двум фигуристам, которые бросают мяч назад и вперед и подвергаются отдаче. Если бы мяч был невидим, можно было бы предположить, что между ними действует отталкивающая сила.

Теперь команда MPSD из Michael Sentef, Michael Ruggenthaler и Angel Rubio опубликовала исследование в журнале Science Advances, в котором прослеживается связь между силой вакуума и самыми современными материалами. В частности, они исследуют вопрос о том, что происходит, если двумерный высокотемпературный сверхпроводящий селенид железа (FeSe) на подложке из SrTiO3 находится в зазоре между двумя металлическими пластинами, куда виртуальные фотоны летают взад-вперед.

Результат их теорий и моделирования: сила вакуума позволяет сильнее связывать быстрые электроны в 2-мерном слое с колебаниями решетки подложки, которые качаются перпендикулярно 2-мерному слою. Связь сверхпроводящих электронов и колебаний кристаллической решетки является центральным строительным блоком для важных свойств многих материалов.

«Мы только начинаем понимать эти процессы», — говорит Майкл Сентеф. «Например, мы не знаем точно, насколько сильным будет влияние вакуумного света на колебания поверхности. Мы говорим о квазичастицах света и фононах, так называемых фононных поляритонах ». В трехмерных изоляторах фононные поляритоны измерялись с помощью лазеров десятилетия назад. Однако это новая научная территория, где речь идет о сложных новых двумерных квантовых материалах. «Конечно, мы надеемся, что наша работа побудит экспериментальных коллег проверить наши прогнозы», — добавляет Сентеф.

Директор по теории MPSD Анхель Рубио в восторге от этих новых возможностей: «Теории и численное моделирование в нашем отделе являются ключевым элементом целого нового поколения потенциальных технологических разработок. Еще важнее то, что это побудит исследователей пересмотреть старые проблемы, связанные с взаимодействием света и структуры вещества ».

Рубио очень оптимистично смотрит на роль фундаментальных исследований в этой области. «Вместе с экспериментальным прогрессом, например, в области контролируемого производства и точного измерения атомных структур и их электронных свойств, мы можем ожидать больших открытий». По его мнению, ученые собираются вступить в новую эру атомного дизайна функциональных возможностей в химических соединениях, особенно в двумерных материалах и сложных молекулах. Рубио убежден: «Сила вакуума поможет нам в этом квесте».

По материалам phys.org