Casimirs tøjler:Konstruerede nanostrukturer kunne tilbyde måde at kontrollere kvanteeffekten på

Du tror måske, at et par parallelle plader, der hænger ubevægeligt i et vakuum blot en brøkdel af en mikrometer væk fra hinanden, ville være som fremmede, der passerer om natten - så tæt på, men bestemt til aldrig at mødes. Takket være kvantemekanikken, du ville tage fejl.

Forskere, der arbejder med at konstruere maskiner i nanoskala, ved det kun alt for godt, da de er nødt til at kæmpe med kvantekræfter og alt det underlige, der følger med dem. Disse kvantekræfter, mest bemærkelsesværdigt Casimir-effekten, kan gøre ravage, hvis du har brug for at forhindre tæt anbragte overflader i at mødes.

Det kan også være nødvendigt at kontrollere disse effekter for at lave små mekaniske dele, der aldrig klæber til hinanden, til at bygge visse typer kvantecomputere, og til at studere tyngdekraften på mikroskala.

Nu, en stor samarbejdende forskningsgruppe, der involverer forskere fra en række føderale laboratorier, herunder National Institute of Standards and Technology (NIST), og større universiteter, har observeret, at disse klæbrige effekter kan øges eller mindskes ved at mønstre en af ​​overfladerne med strukturer i nanoskala. Opdagelsen, beskrevet i Naturkommunikation , åbner en ny vej til tuning af disse effekter.

Men som det ofte sker med kvantefænomener, værket rejser nye spørgsmål, selvom det besvarer andre.

En af kvantemekanikkens indsigt er, at intet rum, ikke engang det ydre rum, er nogensinde virkelig tom. Den er fuld af energi i form af kvanteudsving, herunder fluktuerende elektromagnetiske felter, der tilsyneladende kommer fra ingenting og forsvinder lige så hurtigt.

Noget af denne energi, imidlertid, er bare ikke i stand til at "passe" ind i submikrometerrummet mellem et par elektromekaniske kontakter. Mere energi på ydersiden end på indersiden resulterer i en slags "tryk" kaldet Casimir-kraften, som kan være kraftig nok til at skubbe kontakterne sammen og holde fast.

Den fremherskende teori gør et godt stykke arbejde med at beskrive Casimir-kraften mellem funktionsløse, plane overflader og jævn mellem de fleste glat buede overflader. Imidlertid, ifølge NIST-forsker og medforfatter til papiret, Vladimir Aksyuk, eksisterende teori formår ikke at forudsige de interaktioner, de observerede i deres eksperiment.

"I vores eksperiment, vi målte Casimir-tiltrækningen mellem en guldbelagt kugle og flade guldoverflader mønstret med rækker af periodiske, flade kamme, hver mindre end 100 nanometer på tværs, adskilt af noget bredere mellemrum med dybe, gennemsigtige væggede sider, " siger Aksyuk. "Vi ønskede at se, hvordan en nanostruktureret metaloverflade ville påvirke Casimir-interaktionen, som aldrig var blevet forsøgt med en metaloverflade før. Naturligt, vi forventede, at der ville være reduceret tiltrækning mellem vores rillede overflade og kuglen, uanset afstanden mellem dem, fordi toppen af ​​den rillede overflade præsenterer mindre samlet overfladeareal og mindre materiale. Imidlertid, vi vidste, at Casimir-styrkens afhængighed af overfladeformen ikke er så enkel."

Ja, hvad de fandt var mere kompliceret.

Ifølge Aksyuk, når de øgede adskillelsen mellem kuglens overflade og den rillede overflade, forskerne fandt, at Casimir-attraktionen faldt meget hurtigere end forventet. Da de flyttede kuglen længere væk, kraften faldt med en faktor to under den teoretisk forudsagte værdi. Da de flyttede kuglens overflade tæt på højderyggen, tiltrækningen pr. enhed af højderyggens overfladeareal steg.

"Teori kan forklare den stærkere tiltrækning, men ikke for den for hurtige svækkelse af kraften med øget adskillelse, " siger Aksyuk. "Så dette er nyt territorium, og fysiksamfundet bliver nødt til at komme med en ny model til at beskrive det."