Вакуум не пуст. Там появляются призраки виртуальных частиц, но им можно найти вполне реальное применение. Волшебная сила вакуума может стимулировать разработку передовых сверхпроводников из двумерных материалов, а также другие замечательные применения.
Уже давно не секрет, что вакуум, т.е. пустота, на самом деле не пуст. Это популярная область физики, потому что для многих людей она граничит с магией. Ученых давно завораживает тот факт, что в вакууме всегда что-то происходит, даже когда этого не должно происходить, и что вспышки света появляются там как бы из ниоткуда. Затем тайну вакуума раскрыла квантовая механика. В вакууме виртуальные фотоны появляются как бы чудом и тут же так же таинственно исчезают. Но это не волшебство, это физика, и эти виртуальные фотоны вакуума на самом деле просто ждут, когда кто-то их использует. Когда наступает время, они могут воздействовать на окружающую среду и изменять свойства материи.
В центре изучения лазеров на свободных электронах, его команда ученых-теоретиков рассчитали и смоделировали, что фотоны виртуального вакуума могут контролировать силы между электронами и атомными решетками в двумерном материале сверхпроводника. Звучит очень теоретически, но на самом деле такая вещь может иметь очень практическое применение. Виртуальные фотоны могут способствовать разработке передовых сверхпроводников для энергетики и других технических применений.
Хорошо известным проявлением «вакуумной силы» является знаменитый феномен Казимира. Когда две электрически незаряженные параллельные пластины приближаются друг к другу на достаточно малое расстояние, они притягиваются друг к другу с очень слабой, но измеримой силой. В то же время эта сила намного больше, чем должно быть их гравитационное притяжение. Эффект Казимира объясняет это тем, что при подходящем расстоянии между пластинами между ними создается несколько меньше пар виртуальных частиц и античастиц, чем в пространстве вокруг пластин. И разница в их количестве порождает наблюдаемую силу.
Расчеты и моделирование группы ученых показали, что сила фотонов виртуального вакуума усиливает взаимодействие быстрых электронов в двумерном материале с колебаниями решетки подложки. Эти взаимодействия между сверхпроводящими электронами и колебаниями кристаллической решетки имеют решающее значение для ряда ключевых параметров многих материалов.
Как говорится, мы только в самом начале изучения этих процессов. Например, пока неясно, насколько сильно в действительности влияние виртуальных фотонов на колебания на поверхности материала, т.е. на фононные поляритоны, являющиеся квазичастицами, связанными состояниями электромагнитных волн и фононов в ионных кристаллах. В трехмерных изоляторах уже десятилетия назад измерялись фононные поляритоны с помощью лазеров. Однако в 2D-материалах это все еще неизведанная область.
Однако пока все указывает на то, что сила вакуума найдет замечательное применение в разработке новых материалов и их разнообразных применений. Для ученых и инженеров открывается новая эра проектирования химических соединений на уровне отдельных атомов, особенно когда речь идет о двумерных материалах и сложных молекулах. Сила вакуума могла бы значительно помочь им в этом.
Некоторые учёные изучали взаимосвязь между «силой вакуума» и современными материалами. В основном они сосредоточились на ситуации, когда передовые сверхпроводники из двумерного материала, работающие при высоких температурах, помещаются между двумя металлическими пластинами, где проявляется эффект Казимира. В качестве сверхпроводника они использовали селенид железа (FeSe) на подложке из оксида стронция и титана (SrTiO3).