Ученые из Отделения теории Института структуры и динамики вещества Макса Планка (MPSD) в Центре свободно-электронной лазерной науки (CFEL) в Гамбурге, Германия, показали теоретические расчеты и компьютерное моделирование, что сила между электронами и искажения решетки в атомарно тонком двумерном сверхпроводнике можно контролировать с помощью виртуальных фотонов. Это могло бы помочь в разработке новых сверхпроводников для энергосберегающих устройств и многих других технических приложений.

Вакуумные флуктуации света (желтая волна) усиливаются в оптической полости (верхние и нижние отражающие зеркала). Кристаллические колебания решетки (красные атомы) на двумерном интерфейсе исследуют эту сильную световую волну.Таким образом, смешанные световолновые волны особенно сильно связаны с электронами в двумерном атомарно тонком материале (зеленые и желтые атомы), изменяя его свойства. Фото: JM Harms, MPSD

Вакуум не пуст. Это может звучать как волшебство для людей, но проблема заняла физиков с момента рождения квантовой механики. Видимые пузырьки пузырьков непрерывно и создают флуктуации света даже при абсолютной нулевой температуре. В каком-то смысле эти виртуальные фотоны просто ждут своего использования. Они могут переносить силы и изменять свойства материи.

Известно, что сила вакуума создает эффект Казимира. Когда вы перемещаете две параллельные металлические пластины конденсатора очень близко друг к другу, они чувствуют микроскопически небольшое, но измеримое притяжение между собой, даже если пластины не электрически заряжены. Это притяжение создается путем обмена виртуальными фотонами между пластинами, как и два конькобежца, 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 Майкла Сентифа, Майкла Руггенталера и Ангела Рубио опубликовала исследование в Science Advances, которое связывает связь между силой вакуума и самыми современными материалами. В частности, они исследуют вопрос о том, что произойдет, если двумерный высокотемпературный сверхпроводник селенид железа (FeSe) на подложке SrTiO3 расположен в промежутке между двумя металлическими пластинами, где виртуальные фотоны летают туда и обратно.

Результат их теорий и симуляций: сила вакуума позволяет более быстро связывать быстрые электроны в двумерном 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 Сентиф. «Например, мы точно не знаем, насколько сильное влияние вакуумного света реалистично будет на колебания поверхности. Мы говорим о квазичастицах света и фононов, так называемых фононных поляритонах». В трехмерных изоляторах фононные поляритоны измерялись лазерами десятилетия назад. Однако это новая научная территория, где речь идет о сложных новых двухмерных квантовых материалах. «Конечно, мы надеемся, что наша работа побуждает экспериментальных коллег проверить наши прогнозы», — добавляет Сентиф.

Директор теории MPSD Ангел Рубио в восторге от этих новых возможностей: «Теории и численное моделирование в нашем отделе являются ключевым элементом во всем новом поколении потенциальных технологических разработок. Еще более важно, что это побудит исследователей пересмотреть старые проблемы, связанные с взаимодействие между светом и структурой вещества ».

Рубио очень оптимистично относится к роли фундаментальных исследований в этой области. «Вместе с экспериментальным прогрессом, например, в контролируемой продукции и точном измерении атомных структур и их электронных свойств, мы с нетерпением ждем великих открытий». По его мнению, ученые собираются начать новую эру атомного проектирования функциональных возможностей химических соединений, особенно в двухмерных материалах и сложных молекулах. Рубио убежден: «Сила вакуума поможет нам в этом задании».

По материалам phys.org