Fluktuace virtálních fotonů žlutě, mezi substrátem (modré a červené atomy) a 2D materiálem (žluté a zelené atomy). Kredit: J. M. Harms, MPSD.

Už dlouho není tajemstvím, že vakuum, tedy prázdno, vlastně není prázdné. Je to oblíbená oblast fyziky, protože pro mnoho lidí hraničí s magií. Vědci už dávno fascinovalo, že se ve vakuu pořád něco děje, i když by nemělo a že tam vznikají záblesky světla jakoby z ničeho. Pak tajemství vakua poodhalila kvantová mechanika. Ve vakuu se jakoby zázrakem vynořují virtuální fotony a vzápětí zase stejně záhadně mizí. Není to ale magie nýbrž fyzika a tyto virtuální fotony vakua vlastně jenom čekají na to, až je někdo využije. Když na to přijde, tak mohou působit na okolí a měnit vlastnosti hmoty.

Michael Sentef z Max Planck institutu Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), který sídlí v centru Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) v německém Hamburku a jeho tým teoretických vědců spočítali a namodelovali, že virtuální fotony vakua by mohly ovládat síly mezi elektrony a atomárními mřížkami v supravodiči ze 2D materiálu. Zní to velice teoreticky, ale taková věc by ve skutečnosti mohla mít velice praktické využití. Virtuální fotony by mohly přispět k vývoji pokročilých supravodičů pro energetiku i dalších technické aplikace.

Michael Sentef. Kredit: MPSD.

Známým projevem „síly vakua“ je slavný Casimirův jev. Když se k sobě přiblíží dvě elektricky nenabité rovnoběžně uspořádané desky na dostatečně malou vzdálenost, tak se navzájem přitahují velmi slabou, ale měřitelnou silou. Tahle síla je přitom mnohem větší, než by měla být jejich gravitační přitažlivost. Casimirův jev to vysvětluje tak, že při vhodné vzdálenosti desek vzniká mezi deskami o něco méně párů virtuálních částic a antičástic, než v prostoru kolem desek. A rozdíl v jejich množství vyvolá pozorovanou sílu.

Sentef a jeho kolegové studovali vztah mezi „silou vakua“ a moderními materiály. Soustředili se přitom hlavně na situaci, kdy jsou pokročilé supravodiče ze 2D materiálu, které fungují za vysokých teplot, umístěny mezi dvě kovové desky, kde se projevuje Casimirův jev. Použili přitom jako supravodič selenid železa (FeSe) na substrátu z oxidu stroncia a titanu (SrTiO3).

Klasický Casimirův jev. Kredit: Emok / Wikimedia Commons.

Výpočty a simulace Sentefova týmu ukázaly, že síla virtuálních fotonů vakua zesiluje interakce rychlých elektronů ve 2D materiálu s vibracemi mřížky substrátu. Tyto interakce mezi supravodivými elektrony a vibracemi krystalové mřížky jsou přitom zásadní pro řadu klíčových parametrů u mnoha materiálů.

Jak říká Sentef, jsme teprve na samotném počátku studia těchto procesů. Zatím například není jasné, jak silný je vlastně vliv virtuálních fotonů na oscilace na povrchu materiálu, tedy na fonové polaritony, což jsou kvazičástice, spojené stavy elektromagnetických vln a fononů v iontových krystalech. Ve 3D izolantech už byly fonové polaritony proměřeny pomocí laserů před desítkami let. Ve 2D materiálech je to ale ještě neprozkoumané území.

Zatím ale vše nasvědčuje tomu, síla vakua najde pozoruhodné uplatnění ve vývoji nových materiálů a jejich rozmanitých aplikací. Před vědci a inženýry se otevírá nová éra designu chemických sloučenin na úrovni jednotlivých atomů, především pokud jde o 2D materiály a komplexní molekuly. Síla vakua by jim s tím mohla významně pomoci.

Literatura
Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter 30. 11. 2018, Science Advances 4: eaau6969.