The vacuum is a paradox. The apparent nothingness is constantly bubbling and, even at absolute zero temperature, continuously generates light fluctuations.
Scientists from the Theory Department of the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) at the Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg have recently investigated this phenomenon further. Using computer simulations, they have shown that in atomically thin layers of a superconductor, virtual photons can be used to control the forces between electrons and lattice distortions.
These virtual photons are, so to speak, waiting to be used — only then do they come into existence. They can mediate forces and alter the properties of matter. The vacuum force, for example, is known to produce the Casimir effect: when two parallel metallic plates of a capacitor are brought very close together, a microscopically small attractive force can be measured between them, even if the plates are not electrically charged.
This effect has already inspired many fantasies; none have yet been realized, which does not mean it is impossible. This force arises because the two plates exchange virtual photons. One can imagine it like two ice skaters throwing a ball back and forth and being pushed apart by the recoil. If one could not see the ball, one might think that a repulsive force is acting between the skaters.
“We are only at the beginning of our understanding of these processes,” says Michael Sentef. “For example, we do not yet know exactly how strong the influence of vacuum light on surface vibrations would be in reality. We are talking here about quasiparticles made of light and phonons — phonon-polaritons.” This allows us to understand the interaction between light and the structure of matter from a new perspective. All of this could enable the development of new superconductors for energy-saving devices and many other technical applications.
DEUTSCH
Das Vakuum ist ein Paradox. Das scheinbare Nichts brodelt unablässig und erzeugt selbst am absoluten Temperatur-Nullpunkt andauernd Lichtfluktuationen.
Wissenschaftler der Theorie-Abteilung des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) am Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg siond dem neuerlichx nachgegangen und haben mit Computersimulationen gezeigt, dass in atomar dünnen Schichten eines Supraleiters sich durch virtuelle Photonen die Kraft zwischen Elektronen und Gitterverzerrungen kontrollieren lässt
Diese virtuellen Photonen warten gewissermaßen darauf, gebraucht zu werden, dann erst existieren sie. 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.
Dieser Effekt hat viele Phantasien schon beflügelt; realisiert wurde noch keine, was nicht meint, es sei nicht möglich. Diese Kraft entsteht, indem die beiden Platten virtuelle Photonen austauschen. Das kann man sich vorstellen wie zwei Eisläufer, die sich einen Ball hin und her werfen und durch den Rückstoß voneinander abgestoßen werden. Wenn man den Ball nicht sehen würde, könnte man denken, dass eine abstoßende Kraft zwischen den Eisläufern wirkt. “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.“, womit man die Wechselwirkung zwischen Licht und Struktur der Materie aus einem neuem Blickwinkel verstehen kann. All dies könnte die Entwicklung neuer Supraleiter für energiesparende Geräte und viele andere technische Anwendungen ermöglichen.
Originalpublikation: M. A. Sentef, M. Ruggenthaler and A. Rubio Cavity quantum-electrodynamical polaritonically enhanced electron-phonon coupling and its influence on superconductivity
Science Advances, 30 Nov 2018: Vol. 4, no. 11, eaau6969.
DOI: 10.1126/sciadv.aau6969
(Quelle/Sender: MPSD)
First published 2018