Forschung & Entwicklung

Die Kraft des Vakuums

Theoretische Berechnungen und Computersimulationen zeigen, dass sich in atomar dünnen Schichten eines Supraleiters durch virtuelle Photonen die Kraft zwischen Elektronen und Gitterverzerrungen kontrollieren lässt. Dies könnte die Entwicklung neuer Supraleiter für energiesparende Geräte und viele andere technische Anwendungen ermöglichen.

Das Vakuum ist nicht leer. Was für Laien wie Zauberei klingt, beschäftigt Physiker seit der Entwicklung der Quantenmechanik. Das scheinbare Nichts brodelt unablässig und erzeugt selbst am absoluten Temperaturnullpunkt andauernd Lichtfluktuationen. Diese virtuellen Photonen können Kräfte vermitteln und Eigenschaften von Materie verändern.

Die Vakuumkraft ist beispielsweise dafür bekannt, den Casimir-Effekt zu erzeugen. Bringt man zwei parallele metallische Platten eines Kondensators sehr nah zusammen, dann kann man eine mikroskopisch kleine Anziehungskraft zwischen ihnen messen, selbst wenn die Platten nicht elektrisch aufgeladen sind. Diese Kraft entsteht, indem die beiden Platten virtuelle Photonen austauschen.

Wissenschaftler der Theorie-Abteilung des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) am Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg haben nun eine Arbeit veröffentlicht, die die Vakuumkraft mit modernsten Materialien in Verbindung bringt. Speziell beschäftigten sie sich mit der Frage, was passiert, wenn man den zweidimensionalen Hochtemperatursupraleiter Eisenselenid (FeSe) auf einem Substrat von SrTiO3 zwischen zwei parallele metallische Platten bringt, zwischen denen sich die virtuellen Photonen bewegen. Das Resultat der Überlegungen und Simulationen: Man kann die Kraft des Vakuums nutzen, um die schnellen Elektronen in der 2-D-Ebene stärker an die senkrecht dazu schwingenden Gittervibrationen des Substrats zu koppeln. Die Kopplung zwischen supraleitenden Elektronen und den Schwingungen des Kristallgitters (Phononen) ist ein zentraler Baustein der besonderen Eigenschaften vieler Materialien.

„Wir sind erst am Anfang unserer Verständnisses dieser Prozesse“, sagt Michael Sentef. „Beispielsweise wissen wir gar nicht so genau, wie stark der Einfluss des Vakuumlichts auf die Schwingungen an der Oberfläche in der Realität wäre. Wir reden hier von Quasiteilchen aus Licht und Phononen, den Phonon-Polaritonen.“ In 3-D-Isolatoren wurden Phonon-Polaritonen mit Lasern schon vor Jahrzehnten gemessen. Für die komplexen neuen 2-D-Quantenmaterialien ist dies jedoch alles Neuland. Die MPSD-Forscher hoffen, dass die theoretischen Vorhersagen durch experimentelle Untersuchungen anderer Forschungsgruppen überprüft werden.

Die Theorien und numerischen Simulationen sind ein grundlegender Baustein für eine ganz neue Generation an technischen Entwicklungen. Noch viel wichtiger ist, dass Forscher dadurch ganz neu über alte Probleme der Wechselwirkung zwischen Licht und Struktur der Materie nachdenken. MPSD-Theorie-Direktor Angel Rubio ist sehr optimistisch, was die Grundlagenforschung in diesem Bereich angeht. „Zusammen mit den experimentellen Fortschritten, etwa der kontrollierten Herstellung und präzisen Messung atomarer Strukturen und deren elektronischer Eigenschaften, können wir auf große Entdeckungen hoffen.“

Seiner Meinung nach stünden die Forscher erst am Anfang eines neuen Zeitalters im atomaren Design von Funktionalitäten in chemischen Verbindungen, besonders in 2-D-Materialien und komplexen Molekülen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. A. Sentef, M. Ruggenthaler, A. Rubio, Cavity quantum-electrodynamical polaritonically enhanced electron-phonon coupling and its influence on superconductivity, Sci. Adv. 4 (2018), DOI: 10.1126/sciadv.aau6969]

www.mpsd.mpg.de

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