Sila vákua

Vedci z Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) v centre Center for Free Electron Electron Science (CFEL) v Hamburgu preukázali teoretickými výpočtami a počítačovými simuláciami, že sila medzi elektrónmi a deformáciami mriežky v atómovo tenkom dvojrozmernom supravodiči može byť ovládaná pomocou virtuálnych fotónov. To by mohlo napomôcť vývoju nových supravodičov pre energeticky úsporné zariadenia a mnoho ďalších technických aplikácií.

Fluktuácie vákua (žltá vlna) sa zosilňujú v optickej dutine (horné a spodné odrážajúce zrkadlá). Vibrácie v kryštálovej mriežke (červené atómy) na dvojrozmernom rozhraní prechádzajú touto silnou svetelnou vlnou. Takto zmiešané svetlo-vibračné vlnové páry zvlášť silne pôsobia na elektróny v dvojdimenzionálnom tenkom materiáli (zelené a žlté atómy), meniac jeho vlastnosti. © Jörg M. Harms / MPSD

Vákuum nie je prázdne. To čo môže znieť ako trik pre laikov, od začiatku kvantovej mechaniky zamestnáva fyzikov. Prázdny priestor neustále vytvára svetelné fluktuácie aj pri absolútne nulovej teplote. V istom zmysle tieto virtuálne fotóny čakajú na svoje využitie. Môžu nosiť sily a meniť vlastnosti hmoty.

Napríklad je známe, že sila vákua vytvára Casimirov efekt. Pri pohybe dvoch paralelných kovových dosiek kondenzátora, ktoré sú veľmi blízko pri sebe, tieto cítia mikroskopicky malé, ale merateľné priťahovanie medzi sebou, dokonca aj vtedy, keď nie sú dosky elektricky nabité. Táto príťažlivosť je vytvorená výmenou virtuálnych fotónov medzi doskami. Podobne ako dvaja korčuliari na ľade, ktorí hodia loptičku dopredu a dozadu a sú vystavení odrazu. Ak by bola loptička neviditeľná, predpokladáli by sme, že medzi nimi pôsobí odpudivá sila.

Tím MPSD Michael Sentef, Michael Ruggenthaler a Angel Rubio publikovali štúdiu v Science Advances, ktorá spája silu vákua s najnovšími materiálmi. Skúmali najmä otázku, čo sa stane, ak je dvojrozmerný vysokoteplotný supravodič selenid železnatý (FeSe) na substráte SrTiO3 umiestnený v medzere medzi dvoma kovovými platňami, kde virtuálne fotóny prechádzajú sem a tam.

Výsledok ich teórií a simulácií: sila vákua umožňuje spojiť rýchle elektróny v 2D vrstve silnejšie s mriežkovými vibráciami substrátu, ktoré sa otáčajú kolmo na 2D vrstvu. Spojenie supravodivých elektrónov a vibrácie kryštálovej mriežky je základným stavebným kameňom pre dôležité vlastnosti mnohých materiálov.

"Ešte len začíname chápať tieto procesy," hovorí Michael Sentef. "Napríklad nevieme presne, aký silný by bol v realite vplyv vákuového svetla na kmity povrchu. Hovoríme o kvázičasticiach svetla a fonónov, takzvaných fonónových polaritónoch." V trojitých izolátoroch sa polaritóny zmerali pomocou laserov pred desiatimi rokmi. Toto je však nové vedecké územie, ktoré sa týka nových zložitých 2D kvantových materiálov. "Samozrejme, dúfame, že naša práca vyzve experimentálnych kolegov, aby otestovali naše predpovede," dodáva Sentef.

Riaditeľ MPSD Theory Angel Rubio sa teší týmto novým možnostiam: "Teórie a numerické simulácie v našom oddelení sú kľúčovým prvkom v celej novej generácii potenciálneho technologického vývoja. A čo je ešte dôležitejšie, povzbudí výskumníkov, aby prehodnotili staré problémy spojené s interakciou medzi svetlom a štruktúrou hmoty."

Rubio je veľmi optimistický, pokiaľ ide o úlohu základného výskumu v tejto oblasti. "Spolu s experimentálnym pokrokom, napríklad v kontrolovanej výrobe a presnom meraní atómových štruktúr a ich elektronických vlastností, sa môžeme tešiť na veľké objavy." Podľa jeho názoru sa vedci chystajú pustiť do novej éry atómového dizajnu funkčností v chemických zlúčeninách, najmä v 2D materiáloch a komplexných molekulách. Rubio je presvedčený: "Sila vákua nám v tomto úsilí pomôže."

Zdroj: www.mpsd.mpg.de