Supraleitung mit der Kraft des Vakuums

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

• Originalveröffentlichung
  M. A. Sentef et al.: Cavity quantum-electrodynamical polaritonically enhanced electron-phonon coupling and its influence on superconductivity, Sci. Adv. 4, eaau6969 (2018); DOI: 10.1126/sciadv.aau6969
• Theory of Pump-Probe Spectroscopy (M. A. Sentef), Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg