Forschung

Supraleitung mit der Kraft des Vakuums

05.12.2018 - Polaritonisch verstärkte Elektron-Gitter-Wechselwirkungen liefern neue Möglichkeiten für atomares Design.

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 mit theoretischen Berechnungen und Computer­simulationen gezeigt, 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.

Denn das Vakuum ist nicht leer. Das scheinbare Nichts brodelt unablässig und erzeugt selbst am absoluten Temperatur-Null­punkt andauernd Licht­fluktuationen. Diese virtuellen Photonen warten gewisser­maßen darauf, gebraucht zu werden. Sie können Kräfte vermitteln und Eigen­schaften von Materie verändern.

Die Vakuum-Kraft 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. D

Das MPSD-Team um Michael Sentef, Michael Ruggenthaler und Angel Rubio hat 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 Hoch­temperatur-Supra­leiter Eisen­selenid (FeSe) auf einem Substrat von SrTiO3 zwischen zwei parallele metallische Platten bringt, zwischen denen die virtuellen Photonen hin- und her­fliegen. Das Resultat der Über­legungen und Simulationen: Man kann die Kraft des Vakuums nutzen, um die schnellen Elektronen in der 2D-Ebene stärker an die senk­recht dazu schwingenden Gitter­vibrationen des Substrats zu koppeln. Die Kopplung zwischen supra­leitenden Elektronen und den Schwingungen des Kristall­gitters 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 Vakuum-Lichts auf die Schwingungen an der Ober­fläche in der Realität wäre. Wir reden hier von Quasi­teilchen aus Licht und Phononen, den Phonon-Polaritonen.“ In 3D-Isolatoren wurden Phonon-Polaritonen mit Lasern schon vor Jahr­zehnten gemessen. Für die komplexen neuen 2D-Quanten­materialien ist dies jedoch alles Neu­land. „Wir hoffen natürlich, dass wir durch unsere Arbeit die experimentellen Kollegen dazu anregen, unsere Vorhersagen zu überprüfen“, ergänzt Sentef.

MPSD-Theorie-Direktor Angel Rubio ist begeistert von den neuen Möglich­keiten: „Die Theorien und numerischen Simulationen in unserer Abteilung 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.“ 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 2D-Materialien und komplexen Molekülen. Und Rubio ist überzeugt: „Die Kraft des Vakuums hilft uns dabei.“

MPSD / DE

Weitere Infos

T5 Jobmesse

Starten Sie durch im Neuen Jahr! Besuchen Sie die T5 JobMesse am 27. März im Haus der Wirtschaft in Stuttgart und treffen Sie auf attraktive Arbeitgeber.

Weitere Informationen

COMSOL Days

Besuchen Sie einen COMSOL Day, um sich einen Tag lang mit Multiphysik-Modellierungstraining, spannenden Praxis-Vorträgen und Demo-Stationen weiterzubilden.

Informationen und Anmeldung

T5 Jobmesse

Starten Sie durch im Neuen Jahr! Besuchen Sie die T5 JobMesse am 27. März im Haus der Wirtschaft in Stuttgart und treffen Sie auf attraktive Arbeitgeber.

Weitere Informationen

COMSOL Days

Besuchen Sie einen COMSOL Day, um sich einen Tag lang mit Multiphysik-Modellierungstraining, spannenden Praxis-Vorträgen und Demo-Stationen weiterzubilden.

Informationen und Anmeldung