Co nowego w projekcie QSpec-NewMat: Nowe narzędzia pozwolą lepiej zrozumieć zjawiska zachodzące w materiałach
Zespół finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN) projektu QSpec-NewMat opracował rzeczony zestaw narzędzi poprzez połączenie zasady czasowozależnej teorii funkcjonału gęstości i elektrodynamiki kwantowej (ang. quantum electrodynamics, QED). To rozwiązanie doprowadziło do powstania nowego podejścia zwanego kwantową elektrodynamiczną teorią funkcjonału gęstości (ang. quantum electrodynamical density functional theory, QEDFT). Opracowane narzędzia wykorzystują światło, co ułatwia zrozumienie i kontrolowanie zjawisk kwantowych w złożonych systemach w stanie równowagi i poza nim. Zespół projektu QSpec-NewMat kontynuuje swoje badania, koncentrując się na wnękowej elektrodynamice kwantowej i skorelowanych stanach światło-materia, takich jak całkowite i ułamkowe kwantowe zjawisko Halla. „Szczególnie atrakcyjnym dla nas kierunkiem jest zwiększenie nadprzewodnictwa we wnęce optycznej”, mówi Angel Rubio, dyrektor Instytutu Badań Struktury i Dynamiki Materii im. Maxa Plancka w Niemczech, pełniącego rolę koordynatora projektu. „Jeden z najbardziej ekscytujących aspektów zjawisk kwantowych, w których pośredniczy wnękowa QED, dotyczy reżimu silnego sprzężenia światła z materią. Zjawisko to występuje, gdy »pole świetlne« nie jest dostarczane przez zewnętrzne pole laserowe, ale przez fluktuacje próżni wnęki”. Fakt ten wyraźnie odróżnia wnękową QED od zwykłych nieliniowych zjawisk optycznych, które są indukowane przez silne pole zewnętrzne i nieuchronnie obejmują wzbudzone i/lub nierównowagowe stany materii. Ustalenie to otworzyło nowe, ekscytujące możliwości badania interakcji skwantowanego światła z kwantowymi układami wielociałowymi. Pozwoliło również na sformułowanie kilku intrygujących przewidywań, w tym dotyczących zwiększenia nadprzewodnictwa, napędzania przejść z fazy paraelektrycznej do ferroelektrycznej w perowskitach, indukowania emergentnych faz topologicznych i kontrolowania reakcji fotochemicznych (hamowania, sterowania, a nawet katalizowania procesu chemicznego i transferu energii). Jednym z nowatorskich pomysłów jest kontrola wnęk w interakcjach wielociałowych. Dzięki modyfikacji hamiltonianu pojedynczej cząstki poprzez sprzężenie materii we wnęce można ustalić odpowiednie warunki pojawienia się odpowiedniego oddziaływania, a tym samym kontrolować formę efektywnych oddziaływań. Innym interesującym zagadnieniem jest to, czy wnęki optyczne mogą służyć jako platformy do realizacji koncepcji z zakresu fizyki wysokich energii w stanie stałym i realizacji nowych fermionowych kwazicząstek we wnękach. „Postępy w zakresie kontroli materiałów zależą od uniwersalnych i dokładnych ustawień modelowania z pierwszych zasad, które obejmują wszystkie istotne stopnie swobody – fotony, elektrony, fonony i środowisko – na równych prawach”, podsumowuje Rubio. „Aby sprostać temu wyzwaniu, zespół projektu opracował nowatorskie ramy teoretyczne QEDFT i sprzężonych klasterów dla QED, po części dzięki finansowaniu ze środków ERBN”.
Słowa kluczowe
QSpec-NewMat, kwantowy, materiał, materiał złożony, elektrodynamika kwantowa, kwantowa elektrodynamiczna teoria funkcjonału gęstości, wnęka, światło