Forskere udnytter mystisk Casimir -styrke til små enheder

At få noget fra ingenting lyder som en god handel, så i årevis har forskere forsøgt at udnytte den lille mængde energi, der opstår, når objekter bringes meget tæt sammen. Det er en energikilde så uklar, at det engang blev hånet som en fantasifuld kilde til "evig bevægelse". Nu, et forskerhold inklusive Princeton -forskere har fundet en måde at udnytte en mystisk frastødningskraft på, hvilket er et aspekt af denne kraft.

Denne energi, forudsagt for syv årtier siden af ​​den hollandske videnskabsmand Hendrik Casimir, stammer fra kvanteeffekter og kan ses eksperimentelt ved at placere to modstående plader meget tæt på hinanden i et vakuum. På tæt hold, pladerne frastøder hinanden, hvilket kan være nyttigt for visse teknologier. Indtil for nylig, imidlertid, at udnytte denne "Casimir -kraft" til at gøre noget nyttigt syntes umuligt.

En ny siliciumchip bygget af forskere ved Hong Kong University of Science and Technology og Princeton University er et skridt i retning af at udnytte Casimir -styrken. Ved hjælp af en smart samling af former i mikronstørrelse ætset ind i pladerne, forskerne demonstrerede, at pladerne frastødes, når de bringes tæt sammen. Konstruktion af denne enhed helt ud af en enkelt siliciumchip kan åbne vejen for at bruge Casimir -styrken til praktiske applikationer, såsom at holde små maskindele fra at klæbe til hinanden. Værket blev offentliggjort i februarnummeret af tidsskriftet Natur fotonik .

Energi i et vakuum

"Dette er blandt de første eksperimentelle verifikationer af Casimir -effekten på en siliciumchip, "sagde Alejandro Rodriguez, en assisterende professor i elektroteknik ved Princeton University, hvem leverede teoretiske beregninger til enheden, som blev bygget af et team ledet af Ho Bun Chan ved Hong Kong University of Science and Technology. "Og det giver dig også mulighed for at foretage målinger af kræfter i meget utrivelige strukturer som disse, der forårsager frastødning. Det er en dobbelthammy."

Siliciumstrukturen ligner to plader beklædt med tænder, der vender mod hinanden på tværs af et lille hul, der kun er cirka 100 nanometer bredt. (Et menneskehår er 60, 000-80, 000 nanometer brede.) Da de to plader skubbes tættere sammen, Casimir -styrken spiller ind og skubber dem fra hinanden.

Denne frastødende effekt sker uden input af energi og til alle fremtoninger, i et vakuum. Disse egenskaber førte til, at denne energi blev kaldt "nulpunktsenergi". De gav også næring til tidligere påstande om, at Casimir -styrken ikke kunne eksistere, fordi dens eksistens ville indebære en slags evig bevægelse, hvilket ville være umuligt i henhold til fysikkens love.

Kraften, som siden er blevet eksperimentelt bekræftet at eksistere, stammer fra de normale kvanteudsving i de få atomer, der vedvarer i kløften trods evakuering af al luften.

Teamet demonstrerede, at det er muligt at bygge en enhed i silicium til at styre Casimir -styrken.

"Vores papir viser, at det er muligt at kontrollere Casimir -styrken ved hjælp af strukturer af komplekse, skræddersyede former, "sagde Ho Bun Chan, seniorforfatter på papiret og en videnskabsmand ved Hong Kong University of Science and Technology. Hans team trak på tidligere arbejde af Rodriguez offentliggjort i 2008, der foreslog former, der forventes at give en Casimir -styrke, der både kunne tiltrække og frastøde. "Dette papir er den eksperimentelle erkendelse ved hjælp af en struktur inspireret af Rodriguez 'design, "Sagde Chan.

Rodriguez og hans team i Princeton udviklede teknikker, der gjorde det muligt for forskerne at beregne interaktioner mellem to parallelle plader, når de nærmer sig hinanden. Med disse værktøjer, de kunne derefter undersøge, hvad der ville ske, hvis der blev brugt mere komplekse geometrier. Dette førte til nogle af de første forudsigelser om en frastødende Casimir -styrke i 2008.

Rodriguez -gruppen brugte nanofotoniske teknikker, som indebar måling af, hvordan lys ville interagere med strukturerne, at komme til de komplekse ligninger for, hvordan kraften opstår ved interaktionen mellem to plader.

Silicium -enheden inkluderede en lille mekanisk fjeder, som forskerne brugte til at måle kraften mellem de to plader, og for at kontrollere, at kvantekraften kan være frastødende. De groft T-formede silicontænder er det, der tillader frastødningskraften at dannes. Frastødningen kommer fra, hvordan forskellige dele af overfladen interagerer med den modsatte overflade.

"Vi forsøgte at tænke over, hvilken form Chans gruppe skulle fremstille for at føre til en betydelig frastødende kraft, så vi lavede nogle baggrundsstudier og beregninger for at sikre, at de ville se nok ikke-monotonicitet til at kunne måles, "Sagde Rodriguez.

Fremadrettet, forskerne planlægger at undersøge andre konfigurationer, der kan give anledning til endnu større frastødende kræfter og mere veldefineret frastødning ved større adskillelser.