Casimir -drejningsmomentet:Forskere måler tidligere uundersøgt lille kraft

Forskere fra University of Maryland har for første gang målt en effekt, der blev forudsagt for mere end 40 år siden, kaldet Casimir -drejningsmomentet.

Når de placeres sammen i et vakuum mindre end diameteren af ​​en bakterie (en mikron) fra hinanden, to metalstykker tiltrækker hinanden. Dette kaldes Casimir -effekten. Casimir -drejningsmomentet - et beslægtet fænomen, der er forårsaget af de samme kvanteelektromagnetiske effekter, der tiltrækker materialerne - skubber materialerne til et spin. Fordi det er en så lille effekt, Casimir -drejningsmomentet har været svært at studere. Forskergruppen, som omfatter medlemmer fra UMDs afdelinger for el- og computerteknik og fysik og Institute for Research in Electronics and Applied Physics, har bygget et apparat til måling af den årtier gamle forudsigelse af dette fænomen og offentliggjort deres resultater i tidsskriftet 20. december Natur .

"Dette er en interessant situation, hvor industrien bruger noget, fordi det virker, men mekanismen er ikke godt forstået, "sagde Jeremy Munday, lederen af ​​forskningen. "For LCD -skærme, for eksempel, vi ved, hvordan man skaber snoede flydende krystaller, men vi ved ikke rigtigt, hvorfor de snor sig. Vores undersøgelse viser, at Casimir -drejningsmomentet er en afgørende komponent i flydende krystaljustering. Det er den første til at kvantificere Casimir -effektens bidrag, men er ikke den første til at bevise, at det bidrager. "

Enheden placerer en flydende krystal bare snesevis af nanometer fra en massiv krystal. Med et polariserende mikroskop, forskerne observerede derefter, hvordan flydende krystal vrider sig for at matche faststoffets krystallinske akse.

Teamet brugte flydende krystaller, fordi de er meget følsomme over for ydre kræfter og kan vride lyset, der passerer gennem dem. Under mikroskopet, hver afbildet pixel er enten lys eller mørk afhængigt af hvor snoet det flydende krystallag er. I forsøget, en svag ændring i lysstyrken af ​​et flydende krystallag tillod forskergruppen at karakterisere det flydende krystal twist og det drejningsmoment, der forårsagede det.

Casimir -effekten kan få nanoskala -dele til at bevæge sig og kan bruges til at opfinde nye nanoskalaenheder, såsom aktuatorer eller motorer.

"Tænk på enhver maskine, der kræver et drejningsmoment eller vridning:drivaksler, motorer, etc., "sagde Munday." Casimir -drejningsmomentet kan gøre dette på nanoskala. "

At kende mængden af ​​Casimir -drejningsmoment i et system kan også hjælpe forskere med at forstå bevægelserne i nanoskala -dele, der drives af Casimir -effekten.

Teamet testede et par forskellige typer faste stoffer for at måle deres Casimir -moment, og fandt ud af, at hvert materiale har sin egen unikke signatur af Casimir -drejningsmoment.

Måleenhederne blev bygget i UMD's Fab Lab, en delt brugerfacilitet og renrumsværktøjer til fremstilling af nanoskalaenheder.

I fortiden, forskerne foretog også de første målinger af en frastødende Casimir -kraft og en måling af Casimir -kraften mellem to sfærer. De har også lavet nogle forudsigelser, der kunne bekræftes, hvis den aktuelle måleteknik kan forfines; Munday rapporterer, at de tester andre materialer for at kontrollere og skræddersy momentet.

Munday er lektor i elektrisk og computerteknik i UMD's A. James Clark School of Engineering, og hans laboratorium ligger i UMD's Institute for Research in Electronics and Applied Physics, som muliggør tværfaglig forskning mellem dets naturvidenskabelige og ingeniørhøjskoler.

"Eksperimenter som dette hjælper os med bedre at forstå og kontrollere kvantevakuumet. Det er det, man kan kalde 'det tomme rums fysik, 'som ved nærmere undersøgelse tilsyneladende ikke er så tom, "sagde John Gillaspy, fysikprogrammedarbejderen, der havde tilsyn med NSF -finansiering af forskningen.

"Klassisk, vakuumet er virkelig tomt - det er, Per definition, fravær af noget, "sagde Gillaspy." Men kvantefysikken forudsiger, at selv det mest tomme rum, man kan forestille sig, er fyldt med 'virtuelle' partikler og felter, kvanteudsving i ren tomhed, der fører til subtile, men meget ægte, effekter, der kan måles og endda udnyttes til at gøre ting, der ellers ville være umulige. Universet indeholder mange komplicerede ting, alligevel er der stadig ubesvarede spørgsmål om nogle af de enkleste, mest fundamentale fænomener - denne forskning kan hjælpe os med at finde nogle af svarene. "