Scienziati del dipartimento di teoria del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) presso il Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) di Amburgo, La Germania ha dimostrato attraverso calcoli teorici e simulazioni al computer che la forza tra gli elettroni e le distorsioni reticolari in un superconduttore bidimensionale atomicamente sottile può essere controllata con fotoni virtuali. Ciò potrebbe aiutare lo sviluppo di nuovi superconduttori per dispositivi a risparmio energetico e molte altre applicazioni tecniche.

Il vuoto non è vuoto. Può sembrare una magia per i profani, ma il problema ha preoccupato i fisici sin dalla nascita della meccanica quantistica. Il vuoto apparente bolle incessantemente e produce fluttuazioni di luce anche a temperatura zero assoluto. In un senso, questi fotoni virtuali aspettano solo di essere usati. Possono trasportare forze e modificare le proprietà della materia.

La forza del vuoto, ad esempio, è noto per produrre l'effetto Casimir. Quando si muovono due armature metalliche parallele di un condensatore molto vicine tra loro, sentono un'attrazione microscopicamente piccola ma misurabile tra loro, anche se le piastre non sono caricate elettricamente. Questa attrazione è creata dallo scambio di fotoni virtuali tra le piastre, come due pattinatori sul ghiaccio che lanciano avanti e indietro una palla e subiscono il rinculo. Se la palla fosse invisibile, si potrebbe presumere che tra loro agisca una forza repellente.

Ora, il team MPSD di Michael Sentef, Michael Ruggenthaler e Angel Rubio hanno pubblicato uno studio in Progressi scientifici, che mette in relazione la forza del vuoto con i materiali più moderni. In particolare, esplorano la questione di cosa succede se il seleniuro di ferro superconduttore ad alta temperatura bidimensionale (FeSe) su un substrato di SrTiO ₃ si trova nello spazio tra due piastre metalliche dove i fotoni virtuali volano avanti e indietro.

Il risultato delle loro teorie e simulazioni:la forza del vuoto rende possibile accoppiare più fortemente gli elettroni veloci nello strato 2-D alle vibrazioni reticolari del substrato, che oscillano perpendicolarmente allo strato 2-D. L'accoppiamento di elettroni superconduttori e le vibrazioni del reticolo cristallino è un elemento fondamentale per importanti proprietà di molti materiali.

"Stiamo solo iniziando a capire questi processi, "dice Michael Sentef. "Ad esempio, non sappiamo con precisione quanto forte sarebbe realisticamente l'influenza della luce del vuoto sulle oscillazioni della superficie. Si tratta di quasiparticelle di luce e fononi, cosiddetti polaritoni fononici." Negli isolanti 3-D, i polaritoni fononici sono stati misurati con i laser decenni fa. Però, questo è un nuovo territorio scientifico per quanto riguarda i nuovi materiali quantistici bidimensionali complessi. "Naturalmente speriamo che il nostro lavoro spinga i colleghi sperimentali a testare le nostre previsioni, "Sentif aggiunge.

Il direttore della teoria MPSD Angel Rubio è entusiasta di queste nuove possibilità:"Le teorie e le simulazioni numeriche nel nostro dipartimento sono un elemento chiave in un'intera nuova generazione di potenziali sviluppi tecnologici. Ancora più importante, incoraggerà i ricercatori a riconsiderare i vecchi problemi associati all'interazione tra la luce e la struttura della materia".

Rubio è molto ottimista riguardo al ruolo della ricerca fondamentale in questo settore. "Insieme al progresso sperimentale, ad esempio nella produzione controllata e nella misurazione precisa delle strutture atomiche e delle loro proprietà elettroniche, possiamo aspettarci grandi scoperte." A suo avviso, gli scienziati stanno per intraprendere una nuova era della progettazione atomica delle funzionalità nei composti chimici, in particolare in materiali 2-D e molecole complesse. Rubio è convinto:"La forza del vuoto ci aiuterà in questa ricerca".