Сила вакуума

Ученые из теоретического отдела Института структуры и динамики вещества им.Макса Планка (MPSD) в Гамбурге (Германия) показали с помощью теоретических расчетов и компьютерного моделирования, что силой между электронами и искажениями решетки в атомарно тонком двумерном сверхпроводнике можно управлять с помощью виртуальных фотонов. Это может помочь в разработке новых сверхпроводников для энергосберегающих устройств и многих других технических приложений.

Вакуум не совсем пустой. Это может звучать странно для людей, но проблема заняла физиков с момента рождения квантовой механики. Кажущаяся пустота непрерывно «пузырится» и производит световые колебания 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 человека, которые бросают мяч друг другу и подвергаются отдаче. Если бы мяч был невидим, можно было бы предположить, что между ними действует отталкивающая сила.

Команда ученых из MPSD опубликовала исследование в издании Science Advances, которое показывает 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 моделирования такой: сила вакуума позволяет связать быстрые электроны в двухмерном слое сильнее с колебаниями решетки подложки, которые качаются перпендикулярно двухмерному слою. Связь сверхпроводящих электронов и колебаний кристаллической решетки является центральным строительным блоком для важных свойств многих материалов.

«Мы только начинаем понимать эти процессы, — говорят ученые. «Например, мы точно не знаем, насколько сильное влияние вакуумного света будет на колебания поверхности. Мы говорим о квазичастицах света и фононах, 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 побудит коллег-экспериментаторов проверить наши прогнозы».

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 вот-вот вступят в новую эру атомарного проектирования функциональных возможностей химических соединений, в частности, в двумерных материалах и сложных молекулах.

M. A. Sentef et al. Cavity quantum-electrodynamical polaritonically enhanced electron-phonon coupling and its influence on superconductivity, Science Advances (2018). DOI: 10.1126/sciadv.aau6969