Исследователи из Гарвардского Университета (Harvard University) и системы Национальных Институтов Здоровья (National Institutes of Health) США произвели уникальные измерения квантово-механических сил отталкивания, которые могут быть использованы в ряде нанотехнологических приложений.

Результаты исследований, которыми руководил Федерико Капассо (Federico Capasso) – проф. прикладной физики Инженерной школы Гарвардского Университета, опубликованы в журнале Nature от 8 января с.г. (Munday, J. N., Capasso, F. & Parsegian, V. A. Nature 457, 170–173, 2009).

Открытие, сделанное командой из Гарварда, основано на так называемом эффекте Казимира. Эффект Казимира – эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Чаще всего речь идёт о двух параллельных незаряженных зеркальных поверхностях, размещённых на близком расстоянии, однако эффект Казимира существует и при более сложных геометриях. Причиной эффекта Казимира являются энергетические колебания физического вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нём виртуальных частиц (принцип неопределенности Гейзенберга). Эффект был предсказан голландским физиком Хендриком Казимиром (Hendrik Casimir, 1909—2000) в 1948 году, а позднее подтверждён экспериментально. Большую роль в расчетах и генерализации эффекта Казимира сыграл академик Евгений Лифшиц в 1956 году). Силы Казимира становятся весьма ощутимыми, когда расстояние между двумя металлическими поверхностями становится менее 100 нм.

По объяснениям проф. Капассо, если обе поверхности из одного и того же материала, например, золота, находятся в вакууме, то результирующие силы, действующие на них, всегда притягивающие.

Соблюдая все требования квантовой теории, ученые получили необыкновенный результат при замене одной из двух металлических поверхностей, погруженных в жидкость, на аналогичную, но изготовленую из диоксида кремния. Результирующая сила, действующая на разнородные пластины, из притягивающей стала отталкивающей. Это первое в истории экспериментальное измерение отталкивающих сил Казимира.

Для измерения сил отталкивания команда использовала покрытые золотом микроскопические сферы, прикрепленные к механическому консольному рычагу. Система погружалась в жидкость (бромобензол) и измерялось отклонение рычага как зависимость от расстояния между сферой и расположенной поблизости пластинкой диоксида кремния.

Вот так художник видит, как отталкивающая сила Казимира-Лифшица между двумя телами, погруженными в жидкость, может быть использована для квантовой левитации небольшого объекта, плотность которого больше, чем у жидкой среды. Художественное изображение сделано без учета масштаба. На переднем плане сфера из золота, погруженная в бромобензол, левитирует над пластинкой из диоксида кремния. На заднем плане: когда пластинка заменена на аналогичную, но золотую, левитация невозможна, поскольку сила Казимира-Лифшица между двумя аналогичными материалами – притягивающая. (Изображение из лаборатории проф. Капассо)

Отталкивающие силы Казимира представляют собой большой интерес, поскольку могут быть использованы в новых сверхчувствительных датчиках момента силы для «подвешивания» объекта, погруженного в жидкость, на нанометрических расстояниях над поверхностью. Кроме того, левитирующие объекты могут вращаться или перемещаться друг относительно друга с минимальным статическим трением, поскольку их поверхности никогда не находятся в контакте. Перспективным является использование эффекта Казимира для создания наноразмерных левитационных подшипников с исключительно малым статическим трением, которые, в свою очередь могут инициировать создание новых типов наноразмерных компасов, акселерометров и гироскопов.

Крошечные механизмы могут выиграть от эффекта Казимира

С другой стороны, притягивающие силы Казимира могут ограничить миниатюризацию микроустройств, известных как Микро электромеханические системы – МЭМС, которые применяют во многих отраслях промышленности (среди очень известных – в технологии освобождения подушек безопасности в автомобилях). Притягивающие силы могут сблизить движущиеся части и нарушить этим их работоспособность.

Евгений Биргер