Científicos del Departamento de Teoría del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia (MPSD) en el Centro de Ciencia Láser de Electrones Libres (CFEL) en Hamburgo, Alemania ha demostrado a través de cálculos teóricos y simulaciones por computadora que la fuerza entre los electrones y las distorsiones de la red en un superconductor bidimensional atómicamente delgado se puede controlar con fotones virtuales. Esto podría ayudar al desarrollo de nuevos superconductores para dispositivos de ahorro de energía y muchas otras aplicaciones técnicas.

El vacío no está vacío. Puede sonar mágico para los profanos, pero el problema ha preocupado a los físicos desde el nacimiento de la mecánica cuántica. El vacío aparente burbujea incesantemente y produce fluctuaciones de luz incluso a la temperatura del cero absoluto. En un sentido, estos fotones virtuales están esperando ser usados. Pueden transportar fuerzas y cambiar las propiedades de la materia.

La fuerza del vacío por ejemplo, se sabe que produce el efecto Casimir. Cuando uno mueve dos placas metálicas paralelas de un condensador muy juntas, sienten una atracción microscópicamente pequeña pero medible entre ellos, incluso si las placas no están cargadas eléctricamente. Esta atracción se crea mediante el intercambio de fotones virtuales entre las placas, como dos patinadores sobre hielo que lanzan una pelota de un lado a otro y son sometidos al retroceso. Si la pelota fuera invisible, uno asumiría que una fuerza repelente actúa entre ellos.

Ahora, el equipo de MPSD de Michael Sentef, Michael Ruggenthaler y Angel Rubio han publicado un estudio en Avances científicos, que establece una conexión entre la fuerza del vacío y los materiales más modernos. En particular, Ellos exploran la cuestión de qué sucede si el seleniuro de hierro superconductor de alta temperatura bidimensional (FeSe) sobre un sustrato de SrTiO ₃ se encuentra en el espacio entre dos placas metálicas donde los fotones virtuales vuelan de un lado a otro.

El resultado de sus teorías y simulaciones:la fuerza del vacío permite acoplar los electrones rápidos en la capa 2-D con más fuerza a las vibraciones reticulares del sustrato, que oscilan perpendicularmente a la capa 2-D. El acoplamiento de electrones superconductores y las vibraciones de la red cristalina es un bloque de construcción central para propiedades importantes de muchos materiales.

"Apenas estamos comenzando a comprender estos procesos, "dice Michael Sentef". Por ejemplo, no sabemos con precisión qué tan fuerte sería de manera realista la influencia de la luz del vacío en las oscilaciones de la superficie. Estamos hablando de cuasipartículas de luz y fonones, los llamados polaritones de fonón. "En los aisladores 3-D, Los polaritones de fonón se midieron con láseres hace décadas. Sin embargo, este es un nuevo territorio científico en lo que respecta a nuevos materiales cuánticos complejos en 2-D. "Por supuesto, esperamos que nuestro trabajo impulse a los colegas experimentales a probar nuestras predicciones, "Añade Sentef.

El director de teoría de MPSD, Angel Rubio, está encantado con estas nuevas posibilidades:"Las teorías y las simulaciones numéricas en nuestro departamento son un elemento clave en toda una nueva generación de posibles desarrollos tecnológicos. Aún más importante, animará a los investigadores a reconsiderar los viejos problemas asociados con la interacción entre la luz y la estructura de la materia ".

Rubio es muy optimista sobre el papel de la investigación fundamental en esta área. "Junto con el progreso experimental, por ejemplo en la producción controlada y medición precisa de estructuras atómicas y sus propiedades electrónicas, podemos esperar grandes descubrimientos ". En su opinión, los científicos están a punto de embarcarse en una nueva era del diseño atómico de las funcionalidades de los compuestos químicos, particularmente en materiales 2-D y moléculas complejas. Rubio está convencido:"La fuerza del vacío nos ayudará en esta búsqueda".