nanotechnologie - atomová struktura, autor: Erwinrossen, licence obrázku public domain
nanotechnologie - atomová struktura, autor: Erwinrossen, licence obrázku public domain

Casimirova síla, elektronika a nanotechnologie

Nové experimenty ukazují, že přitažlivý efekt Casimirovy síly může vznikat mezi dvěma objekty libovolného tvaru. Výzkum, který realizovali američtí vědci, by mohl pomoci zdokonalit řadu praktických zařízení od airbagů až po mobilní telefony.

V roce 1948 vyslovil holandský fyzik Hendrik Casimir zdánlivě protismyslnou myšlenku: dvě nenabitá, paralelní zrcadla nebo desky se mohou ve vakuu navzájem velmi slabě přitahovat. Casimir usoudil, že virtuální fotony, které podle kvantové mechaniky ve vakuu nepřetržitě přeskakují mezi stavem existence a neexistence, by mohly vyvolat radiační tlak na obě strany obou desek.

Existenci virtuálních částic umožňují Heisenbergovy relace neurčitosti pro energii a čas. Virtuální částice také zprostředkovávají interakce mezi skutečnými částicemi a jsou zodpovědné za některé makroskopické jevy, jako je právě Casimirova síla. Jelikož mezi deskami mohou existovat jenom elektromagnetické vlny s přesně definovanou vlnovou délkou, a vně desek je délka neomezená, na vnější straně vzniká daleko více virtuálních párů a větší radiační tlak. Výsledkem je, že jsou desky tlačeny k sobě.

Casimirovy předpovědi byly mnohokrát laboratorně ověřeny. Většina experimentů však nepoužívala dvě desky, protože jev je mimořádně citlivý na změnu vzdálenosti mezi nimi. Přitažlivá síla se obvykle měří mezi deskou a koulí, kdy nejkratší vzdálenost mezi oběma objekty zůstává stejná nezávisle na rotaci koule.

V nových experimentech američtí fyzici ukázali, že se Casimirova síla může projevovat mezi dvěma předměty libovolného tvaru. Vědci použili dvě duté pozlacené skleněné kuličky o rozměrech kolem 80 mikrometrů, které byly od sebe vzdálené 30 – 400 nanometrů. Jednu kuličku připevnili ke křemíkovému substrátu, druhou ke konzolovému nosníku mikroskopu atomárních sil. Cílem bylo nastavit spodní kuličku tak, aby oscilovala nahoru a dolů o několik nanometrů, a měřit vliv, který bude mít na horní kuličku. Vědci vycházeli z předpokladu, že pokud kuličky „cítí“ Casimirovu sílu, pak by se měly pohybovat společně v protifázi. Když se spodní kulička pohybuje nahoru, zmenšuje mezeru mezi nimi, takže se zvětšuje přitažlivá síla a způsobí, že horní kulička se pohybuje dolů a naopak.

Aby mohli provést takový experiment, museli fyzici překonat řadu technických překážek. Předně bylo třeba udržet kuličky centrované s přesností 1 % jejich poloměru po dobu 24 hodin. Proto vědci museli před každým měřením kontrolovat jejich relativní horizontální polohu pomocí mikroskopu atomárních sil. Protože se experimenty prováděly ve vzduchu, museli také odfiltrovat rušivý odpor. Nakonec bylo třeba na kuličky přiložit vhodné napětí, a tak odstranit všechny možné elektrostatic­ké síly.

Tým provedl sérii devíti experimentů s třemi horními a třemi dolními kuličkami různých rozměrů. Analýza dat ze všech měření ukázala, že kuličky spolu oscilují tak, jak předpovídá teorie.

Casimirova síla působí problémy v oblasti malých integrovaných systémů (mikroelektro­mechanické systémy; MEMs), které jsou součástí široké škály praktických zařízení, mj. i mobilních telefonů. Jednotlivé části systémů k sobě přitlačuje, a tím je poškozuje a ničí. Nový výzkum by mohl pomoci vyvinout nová, odolnější zařízení. Vědci se proto teď chystají provést další sérii měření a detailně otestovat, jak se Casimirova síla chová ve složitějších geometrických uspořádáních.

Hlubší znalost o vlivu geometrie by měla umožnit sílu zmenšit nebo převrátit její směr tak, aby se stala odpudivou. Vědci předpokládají, že v budoucnu bude možné převrátit celé uspořádání a vytvořit extrémně citlivá čidla měřením malých změn Casimirovy síly. To dovolí, aby byly MEMs, které se používají všude od airbagů až po zmiňované mobilní telefony, menší a dokonalejší.

Původní práce vyšla v Physical Review Letters.
autor: Jana Štrajblová

Převzato z Matfyz.cz

Pozvánka:
Jeden den s fyzikou
čtvrtek 15. února 2018
Den plný přednášek, exkurzí, experimentů – prostě setkání s fyzikou v budovách MFF UK.
Podrobnosti

Už první Homo sapiens mohli obchodovat

Nálezy z Olorgesailie v jižní Keni ukazují, že už první Homo sapiens mohli vykazovat to, …

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close