Kraften er med os, altid? Tuning af kvantevakuumkræfter fra attraktive til frastødende

Kraften er stærk, ikke kun i Star Wars, men også som en grundlæggende egenskab inden for fysik. For eksempel, forskere kan lægge to uopladede metalplader tæt sammen i et vakuum, og "voila!" —- de vil tiltrække hinanden som Luke Skywalker og hans betroede lyssværd.

I 1948, Den hollandske teoretiske fysiker Hendrick Casimir forudsagde først en attraktiv kraft, der var ansvarlig for denne effekt - senere kaldet Casimir -effekten. Et halvt århundrede senere, i 1996, Casimirstyrken blev eksperimentelt målt for første gang af Steve Lamoreaux på Los Alamos National Laboratory.

Men ligesom den lyse og mørke side af kraften i Star Wars, forskere har undret sig over, kan der være en lige så modsat slags Casimir -kraft?

"Mellem to lignende materialer, denne kraft svarer altid til en attraktiv Casimir -styrke, uanset de medierende materialer, "sagde Arizona State University fysiker Frank Wilczek." Alligevel kan Casimir -styrken principielt være frastødende. "

Wilczek forklarer, at generering af en frastødende Casimir -styrke har vundet stor interesse for praktiske applikationer som halvlederindustrien, efterhånden som chips er blevet mere og mere tin med atomskala funktioner.

"I de seneste år, mennesker har ydet en stor indsats for at realisere frastødende Casimir -styrker, især med henblik på applikationer til nano-enheder og kolloider, som kan indeholde dele i nærheden, som man ønsker at holde adskilt. "

Nu, Wilczek, sammen med kollega Qing-Dong Jiang fra Stockholms universitet, har vist for første gang, at Casimir -styrken kan vendes og gør frastødende, indstillelig eller forbedret, afhængigt af egenskaberne af materialet indsat mellem pladerne.

"Vi finder ud af, at Casimir -styrken kan, som funktion af afstanden, svinge mellem attraktivt og frastødende, og at det kan indstilles ved anvendelse af et eksternt magnetfelt, " sagde

Wilczek, en professor i fysik ved ASU, der også afholder fakultetsansættelser ved Massachusetts Institute of Technology og Stockholms universitet.

Langt fra at være en videnskab om ingenting, "materialet" i det tomme rum i støvsugere mellem de to metalplader, på grund af kvanteeffekter, er faktisk floder, der vrimler med en usynlig kraft-elektromagnetiske bølger, der indeholder uudnyttet energi. Under Casimir -effekten, når pladerne flyttes sammen, nogle af bølgerne i vakuumet presses gradvist ud, giver mere energi til deres omgivelser, og forårsager den attraktive kraft.

Vakuumet er fyldt med kvanteudsving i det elektromagnetiske felt-virtuelle fotoner, der popper ind og ud af eksistens--der formodes at opføre sig på samme måde. For at gøre pladerne frastødende og indstillelige, Wilczek og Stockholms universitetskollega Qing-Dong Jiang indsatte et materiale mellem pladerne, der bryder denne adfærd. Dette "chirale" materiale (chiral kommer fra det græske ord, der betyder hånd) forårsager to typer fotoner, der adskiller sig fra din venstre og højre hånd, eller i dette tilfælde højre og venstre-cirkulære polariserede fotoner. Materialet får fotoner til at have forskellige hastigheder, der hver kan overføre en forskellig mængde momentum til pladerne.

Wilczek og Jiang beregnede Casimir -kraften mellem to plader for to typer mellemliggende kirale materialer og ved forskellige temperaturer. De fandt ud af, at kraften kunne justeres ved at ændre afstanden mellem pladerne eller ændre styrken af ​​et påført magnetfelt. De fandt ud af, at disse justeringer kunne give en frastødende Casimir -kraft mere end tre gange så stærk som den attraktive kraft for den samme opsætning i et vakuum.

"Nøglen til at realisere frastødende Casimir -kræfter mellem lignende objekter er at indsætte et mellemliggende chiralt materiale mellem dem, "sagde Wilczek." Den kirale Casimirstyrke har flere særpræg:den kan være oscillerende, dens størrelse kan være stor, og det kan variere som reaktion på eksterne magnetfelter. "

Deres håb er, at disse resultater vil give fysikere og ingeniører, der er interesseret i halvledere og nanodelenheder, en ny måde at udforske adfærd og egenskaber ved forskellige materialer på kvantenniveau.

"Gennem forbindelsen mellem denne kraft og uafhængigt målbare materialegenskaber, man opnår et væld af forudsagte fænomener, der direkte afspejler makroskopiske virkninger af kvanteudsving. "

Og måske, forskere kan endda hente lidt innovationsinspiration ved at trykke på deres indre Star Wars -nørd fra et af Darth Vaders mest berømte filmcitater:"Undervurder ikke kraften."