Wetenschappers van de afdeling Theorie van het Max Planck Instituut voor de Structuur en Dynamiek van Materie (MPSD) van het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg, Duitsland heeft door theoretische berekeningen en computersimulaties aangetoond dat de kracht tussen elektronen en roostervervormingen in een atomair dunne tweedimensionale supergeleider kan worden gecontroleerd met virtuele fotonen. Dit zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe supergeleiders voor energiebesparende apparaten en vele andere technische toepassingen.

De stofzuiger is niet leeg. Het klinkt misschien als magie voor leken, maar het probleem houdt natuurkundigen bezig sinds de geboorte van de kwantummechanica. De schijnbare leegte borrelt onophoudelijk en produceert lichtschommelingen, zelfs bij absolute nultemperaturen. In zekere zin, deze virtuele fotonen wachten gewoon om gebruikt te worden. Ze kunnen krachten dragen en de eigenschappen van materie veranderen.

De kracht van het vacuüm, bijvoorbeeld, bekend is dat het het Casimir-effect veroorzaakt. Wanneer men twee parallelle metalen platen van een condensator heel dicht bij elkaar beweegt, ze voelen een microscopisch kleine maar meetbare aantrekkingskracht tussen elkaar, zelfs als de platen niet elektrisch geladen zijn. Deze aantrekkingskracht ontstaat door de uitwisseling van virtuele fotonen tussen de platen, als twee schaatsers die een bal heen en weer gooien en onderworpen worden aan de terugslag. Als de bal onzichtbaar was, men zou aannemen dat er een afstotende kracht tussen hen inwerkt.

Nutsvoorzieningen, het MPSD-team van Michael Sentef, Michael Ruggenthaler en Angel Rubio hebben een studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang, die een verband legt tussen de kracht van het vacuüm en de modernste materialen. Vooral, ze onderzoeken de vraag wat er gebeurt als het tweedimensionale hoge temperatuur supergeleider ijzerselenide (FeSe) op een substraat van SrTiO ₃ bevindt zich in de opening tussen twee metalen platen waar virtuele fotonen heen en weer vliegen.

De uitkomst van hun theorieën en simulaties:de kracht van het vacuüm maakt het mogelijk om de snelle elektronen in de 2D-laag sterker te koppelen aan de roostertrillingen van het substraat, die loodrecht op de 2D-laag zwaaien. De koppeling van supergeleidende elektronen en de trillingen van het kristalrooster is een centrale bouwsteen voor belangrijke eigenschappen van veel materialen.

"We beginnen deze processen pas te begrijpen, ", zegt Michael Sentef. "Bijvoorbeeld, we weten niet precies hoe sterk de invloed van het vacuümlicht realistisch zou zijn op de trillingen van het oppervlak. We hebben het over quasideeltjes van licht en fononen, zogenaamde fonon-polaritonen." In 3D-isolatoren, fonon-polaritonen werden decennia geleden met lasers gemeten. Echter, dit is nieuw wetenschappelijk terrein als het gaat om complexe nieuwe 2D-kwantummaterialen. "Natuurlijk hopen we dat ons werk de experimentele collega's ertoe aanzet onze voorspellingen te testen, ’ voegt Sentef eraan toe.

MPSD Theory Director Angel Rubio is verheugd over die nieuwe mogelijkheden:"De theorieën en numerieke simulaties in onze afdeling zijn een sleutelelement in een hele nieuwe generatie potentiële technologische ontwikkelingen. Nog belangrijker, het zal onderzoekers aanmoedigen om de oude problemen in verband met de interactie tussen licht en de structuur van materie te heroverwegen."

Rubio is zeer optimistisch over de rol van fundamenteel onderzoek op dit gebied. "Samen met de experimentele vooruitgang, bijvoorbeeld bij de gecontroleerde productie en nauwkeurige meting van atomaire structuren en hun elektronische eigenschappen, we kunnen uitkijken naar grote ontdekkingen." wetenschappers staan ​​op het punt een nieuw tijdperk in te gaan van het atomaire ontwerp van de functionaliteiten in chemische verbindingen, vooral in 2D-materialen en complexe moleculen. Rubio is ervan overtuigd:"De kracht van het vacuüm zal ons helpen in deze zoektocht."