Vakuumets kraft

Forskere fra teoriafdelingen ved Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) ved Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) i Hamburg, Tyskland har gennem teoretiske beregninger og computersimuleringer vist, at kraften mellem elektroner og gitterforvrængninger i en atomtynd todimensionel superleder kan styres med virtuelle fotoner. Dette kan hjælpe udviklingen af ​​nye superledere til energibesparende enheder og mange andre tekniske applikationer.

Vakuumet er ikke tomt. Det kan lyde som magi for lægfolk, men problemet har optaget fysikere siden kvantemekanikkens fødsel. Det tilsyneladende hulrum bobler uophørligt og frembringer udsving i lyset selv ved absolut nul temperatur. I en vis forstand, disse virtuelle fotoner venter bare på at blive brugt. De kan bære kræfter og ændre materiens egenskaber.

Vakuumets kraft, for eksempel, vides at producere Casimir -effekten. Når man flytter to parallelle metalliske plader af en kondensator meget tæt på hinanden, de føler en mikroskopisk lille, men målbar attraktion mellem hinanden, selvom pladerne ikke er elektrisk ladede. Denne attraktion skabes ved udveksling af virtuelle fotoner mellem pladerne, som to skøjteløbere, der kaster en bold frem og tilbage og udsættes for rekylen. Hvis bolden var usynlig, man ville antage, at der virker en afstødende kraft imellem dem.

Nu, MPSD -teamet fra Michael Sentef, Michael Ruggenthaler og Angel Rubio har offentliggjort en undersøgelse i Videnskabelige fremskridt, som tegner en forbindelse mellem vakuumets kraft og de mest moderne materialer. I særdeleshed, de undersøger spørgsmålet om, hvad der sker, hvis det todimensionale højtemperatur superleder jern selenid (FeSe) på et substrat af SrTiO ₃ er placeret i hullet mellem to metalliske plader, hvor virtuelle fotoner flyver frem og tilbage.

Resultatet af deres teorier og simuleringer:vakuumets kraft gør det muligt at koble de hurtige elektroner i 2-D-laget stærkere til substratets gittervibrationer, som svinger vinkelret på 2-D-laget. Koblingen af ​​superledende elektroner og krystalgitterets vibrationer er en central byggesten for vigtige egenskaber ved mange materialer.

"Vi er kun begyndt at forstå disse processer, "siger Michael Sentef." F.eks. vi ved ikke præcist, hvor stærk vakuumlysets indflydelse realistisk ville være på overfladens svingninger. Vi taler om kvasipartikler af lys og fononer, såkaldte phonon polaritons. "I 3D-isolatorer, fononpolaritoner blev målt med lasere for årtier siden. Imidlertid, dette er nyt videnskabeligt område, hvor der er tale om komplekse nye 2-D kvantematerialer. "Selvfølgelig håber vi, at vores arbejde får de eksperimentelle kolleger til at teste vores forudsigelser, "Tilføjer Sentef.

MPSD Teoridirektør Angel Rubio glæder sig over de nye muligheder:"Teorier og numeriske simuleringer i vores afdeling er et centralt element i en helt ny generation af potentielle teknologiske udviklinger. Endnu vigtigere er, det vil tilskynde forskere til at genoverveje de gamle problemer, der er forbundet med samspillet mellem lys og stofets struktur. "

Rubio er meget optimistisk med hensyn til grundforskningens rolle på dette område. "Sammen med den eksperimentelle fremgang, for eksempel i den kontrollerede produktion og præcise måling af atomstrukturer og deres elektroniske egenskaber, vi kan se frem til store opdagelser. "Efter hans opfattelse, forskere er ved at gå i gang med en ny æra af atomdesignet af funktionaliteterne i kemiske forbindelser, især i 2-D materialer og komplekse molekyler. Rubio er overbevist:"Vakuumets kraft vil hjælpe os i denne søgen."