Сила вакуума. На самом деле, вакуум не пуст!
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).