Отталкивающий Казимир: Левитация с приставкой «нано»
В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир (Hendrik Casimir) предсказал один интересный эффект, который вытекает из квантовой теории поля. Согласно ей, абсолютной пустоты — вакуума — не существует: в нем постоянно происходят крохотные энергетические флуктуации с образованием частиц и античастиц. Эти частицы возникают «как бы из ничего», и моментально исчезают снова, так что вполне оправданно именуются «виртуальными» частицами.
В числе этих частиц появляется и исчезает и немало фотонов, носителей электромагнитных взаимодействий. Эти виртуальные фотоны могут соответствовать практически всему спектру электромагнитных колебаний.
Теперь представим, что в пространство вакуума, где рождаются и умирают бесчисленные виртуальные частицы, помещена пара очень близко расположенных зеркальных поверхностей. Эти поверхности введет своего рода «искусственный отбор» в популяцию виртуальных фотонов, рождающихся между пластинами. Те из них, длина волны которых будет резонансной с этим расстоянием (то есть, волна «уложится» между пластинами целое или полуцелое число раз) будут усиливаться, остальные же — подавляться. В итоге в промежутке между поверхностями фотонов будет появляться меньше, чем снаружи; образуется градиент давления, и пластины притягваются буквально «ни с того, ни с сего»!
За дополнительными разъяснениями вы можете обратиться к нашей статье «Атомы и пустота».
Полтора десятка лет спустя советские физики показали, что при некоторых обстоятельствах притягивающая сила эффекта Казимира может получать обратный знак и становиться отталкивающей. Немецкие физики уже пытались получить этот эффект в лаборатории («Полеты в наномире»), но никаких сообщений о конкретных результатах не проходило. Зато, кажется, удалось это другой группе ученых.
По словам одного из авторов нового исследования Федерико Капассо (Federico Capasso), «В какой-то момент наномеханика должна будет встретиться лицом к лицу с этими квантовыми эффектами, и нас следует научиться противостоять им — а лучше, использовать их». Капассо и его группе впервые удалось экспериментально зафиксировать отталкивающие силы, возникающие между тончайшей полоской кремния и крохотной (диаметром примерно вдвое меньше, чем толщина человеческого волоса) сферой, покрытой золотом. Третьим участником этого завораживающего действа стала жидкость, бромбензол.
Дело в том, что притяжение Казимира между жидкостью и кремниевой пластиной выше, чем между пластиной и золотой сферой. В итоге жидкость устремлялась к пластине, огибая сферу, и отталкивала ее прочь. Все это весьма напоминает обычную архимедову силу, которую мы наблюдаем в макромире, когда тело с плотностью ниже, чем у воды, выталкивается к ее поверхности. В этом случае, правда, все наоборот: бромбензол менее плотен, чем золотая сфера...
Разумеется, замеренная учеными в лаборатории сила отталкивания ничтожно мала и исчисляется десятыми долями пиконьютонов (10−12), но для нанообъектов этого может быть совершенно достаточно. Авторы работы считают, что этот эффект в будущем может использоваться вместо «смазки» в наноустройствах, чтобы отдельные движущиеся детали их не соприкасались.
По публикации New Scientist Tech