Forskare från teoriavdelningen vid Max Planck-institutet för materiens struktur och dynamik (MPSD) vid Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) i Hamburg, Tyskland har genom teoretiska beräkningar och datorsimuleringar visat att kraften mellan elektroner och gitterförvrängningar i en atomärt tunn tvådimensionell supraledare kan styras med virtuella fotoner. Detta kan underlätta utvecklingen av nya supraledare för energibesparande enheter och många andra tekniska tillämpningar.

Vakuumet är inte tomt. Det kan låta som magi för lekmän, men problemet har sysselsatt fysiker sedan kvantmekanikens födelse. Det uppenbara tomrummet bubblar oavbrutet och producerar ljusfluktuationer även vid absolut nolltemperatur. På sätt och vis, dessa virtuella fotoner väntar bara på att användas. De kan bära krafter och förändra materiens egenskaper.

Vakuumets kraft, till exempel, är känt för att producera Casimir-effekten. När man flyttar två parallella metallplattor i en kondensator mycket nära varandra, de känner en mikroskopiskt liten men mätbar attraktion mellan varandra, även om plattorna inte är elektriskt laddade. Denna attraktion skapas genom utbyte av virtuella fotoner mellan plattorna, som två skridskoåkare som kastar en boll fram och tillbaka och utsätts för rekylen. Om bollen var osynlig, man skulle anta att en avstötande kraft verkar mellan dem.

Nu, MPSD-teamet av Michael Sentef, Michael Ruggenthaler och Angel Rubio har publicerat en studie i Vetenskapens framsteg, som drar ett samband mellan vakuumets kraft och de modernaste materialen. Särskilt, de undersöker frågan om vad som händer om den tvådimensionella högtemperatursupraledaren järnselenid (FeSe) på ett substrat av SrTiO ₃ ligger i gapet mellan två metallplattor där virtuella fotoner flyger fram och tillbaka.

Resultatet av deras teorier och simuleringar:vakuumets kraft gör det möjligt att koppla de snabba elektronerna i 2D-skiktet starkare till substratets gittervibrationer, som svänger vinkelrätt mot 2D-skiktet. Kopplingen av supraledande elektroner och vibrationerna i kristallgittret är en central byggsten för viktiga egenskaper hos många material.

"Vi börjar bara förstå dessa processer, " säger Michael Sentef. "Till exempel, vi vet inte exakt hur stark inverkan av vakuumljuset realistiskt sett skulle vara på ytans svängningar. Vi talar om kvasipartiklar av ljus och fononer, så kallade fononpolaritoner." I 3D-isolatorer, fononpolaritoner mättes med lasrar för decennier sedan. Dock, detta är ett nytt vetenskapligt territorium när det gäller komplexa nya 2D-kvantmaterial. "Vi hoppas naturligtvis att vårt arbete får de experimentella kollegorna att testa våra förutsägelser, " tillägger Sentef.

MPSD:s teorichef Angel Rubio är glad över dessa nya möjligheter:"Teorierna och numeriska simuleringarna på vår avdelning är ett nyckelelement i en helt ny generation av potentiella tekniska utvecklingar. Ännu viktigare, det kommer att uppmuntra forskare att ompröva de gamla problemen som är förknippade med samspelet mellan ljus och materiens struktur."

Rubio är mycket optimistisk när det gäller grundforskningens roll på detta område. "Tillsammans med de experimentella framstegen, till exempel vid kontrollerad produktion och exakt mätning av atomära strukturer och deras elektroniska egenskaper, vi kan se fram emot stora upptäckter." Enligt hans uppfattning, forskare är på väg att inleda en ny era av den atomära designen av funktionerna i kemiska föreningar, speciellt i 2D-material och komplexa molekyler. Rubio är övertygad:"Kraften i vakuumet kommer att hjälpa oss i denna strävan."