Физики из США смогли минимизировать силу Казимира, возникающую при сближении микроскопических деталей друг с другом. При помощи специально разработанной наноструктуры ученым удалось уменьшить обусловленное квантовыми эффектами притяжение. Подробности приведены в статье исследователей для журнала Nature Communications, а кратко об этой работе рассказывается на Phys.org со ссылкой на материалы университета Пердью в Индианополисе.
Ключевой особенностью поверхности, к которой при приближении на сверхмалые расстояния не притягиваются другие объекты, стала особая структура поверхности. Физики покрыли металлическую пластину рядом длинных гребней высотой в двести и шириной в сто нанометров, после чего поместили ее вблизи гладкого позолоченного шарика на специально сконструированных микровесах. Использованные учеными весы напоминали обычные рычажные, но они работали не за счет простого отклонения коромысла с шариком в сторону пластины, так как на столь малых масштабах вклад случайных помех становится слишком велик.
Микровесы постоянно раскачивали при помощи электрического поля (под обе стороны коромысла были подведены электроды), а отраженный от них лазерный луч позволял точно определить характер этих колебаний и, в частности, их частоту. Когда к раскачивающимся весам приближали экспериментальные образцы, они притягивали к себе шарик на коромысле и за счет этого меняли частоту колебаний. Такой прием обеспечил высокую точность измерений, минимизировал влияние случайных толчков и позволил установить то, что к наноструктурированной поверхности шарик притягивается слабее, чем к гладкой.
Схема установки (сверху) и поверхность материала (снизу)
A - микровесы и схема опыта в целом. B, C, D - электронные микрофотографии образцов с масштабными линейками. Иллюстрация: Ricardo Decca, Ph.D.
Физики объясняют это явление тем, что геометрия поверхности напрямую связана с величиной силы Казимира. Эта сила, названная в честь открывшего его голландского физика Хендрика Казимира, возникает за счет обусловленного поведением вакуума квантового эффекта. Согласно квантовой теории поля вакуум вовсе не является совершенно пустым, в нем появляются виртуальные частицы и связанные с ними поля. Когда две пластины (или более сложные поверхности) сближаются между собой, между ними становится возможным появление не всех мыслимых виртуальных полей, а только электромагнитных колебаний с определенной длиной волны. Так как при этом с другой стороны пластин по-прежнему возникают все прочие поля, давление электромагнитного излучения с одной из сторон оказывается больше и возникает сила Казимира.
Сила Казимира зависит от расстояния между предметами и убывает пропорционально четвертой степени с ростом промежутка. Она никак не проявляет себя в обычных условиях, но начинает играть существенную роль в поведении микромеханизмов. С притягиванием объектов друг к другу приходится считаться разработчикам наноустройств, а иногда силу Казимира нужно уменьшить: поэтому открытие важно не только для теоретиков.