Відштовхуючий Казимир: Лівітація з приставкою «нано»

Квантовий ефект, що «ні з того, ні з сього» викликає взаємне відштовхування двох досить маленьких об'єктів, був вперше передбачений ще півстоліття тому. Але в лабораторії його продемонстрували і заміряли тільки тепер.

У 1948 році голландський фізик Гендрік Казимир (Hendrik Casimir) передбачив один цікавий ефект, який випливає з квантової теорії поля. Згідно з нею, абсолютної порожнечі - вакууму - не існує: в ньому постійно відбуваються крихітні енергетичні флуктуації з утворенням частинок і античастинок. Ці частинки виникають «як би з нічого», і моментально зникають знову, так що цілком виправдано іменуються «віртуальними» частинками.

Серед цих частинок з'являється і зникає і чимало фотонів, носіїв електромагнітних взаємодій. Ці віртуальні фотони можуть відповідати практично всьому спектру електромагнітних коливань.

Тепер уявімо, що в простір вакууму, де народжуються і вмирають незліченні віртуальні частинки, поміщена пара дуже близько розташованих дзеркальних поверхонь. Ці поверхні введе свого роду «штучний відбір» в популяцію віртуальних фотонів, що народжуються між пластинами. Ті з них, довжина хвилі яких буде резонансною з цією відстанню (тобто, хвиля «укладеться» між пластинами ціле або напівціле число разів) будуть посилюватися, інші ж - придушуватися. У підсумку в проміжку між поверхнями фотонів буде з'являтися менше, ніж зовні; утворюється градієнт тиску, і пластини притягуються буквально «ні з того, ні з цього»!

За додатковими поясненнями ви можете звернутися до нашої статті «Атоми і порожнеча».

Півтора десятка років потому радянські фізики показали, що за деяких обставин притягуюча сила ефекту Казимира може отримувати зворотний знак і ставати відштовхуючою. Німецькі фізики вже намагалися отримати цей ефект в лабораторії («Польоти в наномірі»), але ніяких повідомлень про конкретні результати не проходило. Зате, здається, вдалося це іншій групі вчених.

За словами одного з авторів нового дослідження Федеріко Капассо (Federico Capasso), «В якийсь момент наномеханіка повинна буде зустрітися обличчям до обличчя з цими квантовими ефектами, і нас слід навчитися протистояти їм - а краще, використовувати їх». Капассо і його групі вперше вдалося експериментально зафіксувати відштовхувальні сили, що виникають між найтоншою смужкою кремнію і крихітною (діаметром приблизно вдвічі менше, ніж товщина людського волосся) сферою, вкритою золотом. Третім учасником цього заворожувального дійства стала рідина, бромбензол.

Справа в тому, що тяжіння Казимира між рідиною і кремнієвою пластиною вище, ніж між пластиною і золотою сферою. У підсумку рідина спрямувалася до пластини, огинаючи сферу, і відштовхувала її геть. Все це дуже нагадує звичайну архімедову силу, яку ми спостерігаємо в макромірі, коли тіло з щільністю нижче, ніж у води, виштовхується до її поверхні. У цьому випадку, правда, все навпаки: бромбензол менш щільний, ніж золота сфера...

Зрозуміло, заміряна вченими в лабораторії сила відштовхування мізерно мала і обчислюється десятими частками піконьютонів (10 ‑ 12), але для нанооб'єктів цього може бути абсолютно достатньо. Автори роботи вважають, що цей ефект у майбутньому може використовуватися замість «мастила» в наноустроях, щоб окремі рухомі деталі їх не стикалися.

Публікація New Scientist Tech