.
О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Беларусь
Читайте нас:
На основном сайте Граней: https://graniru.org/Society/Science/m.113934.html

статья Физики учатся управляться с "квантовой пеной"

Максим Борисов, 04.11.2006
Схема эксперимента с сайта physicsweb.org (Courtesy U Mohideen)
Схема эксперимента с сайта physicsweb.org (Courtesy U Mohideen)
Реклама
справка Справка

Эффект Казимира

Согласно положениям квантовой механики, в вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Эти так называемые нулевые колебания полей приводят, в частности, к силовому взаимодействию макроскопических тел. Один из наиболее известных примеров подобного взаимодействия - эффект Казимира: притяжение двух плоских параллельных металлических пластин, разнесенных на малое расстояние d. В пространстве между пластинами могут существовать моды нулевых колебаний электромагнитного поля с длиной волны, не превышающей 2d. Таким образом, плотность энергии нулевых колебаний между пластинами меньше, чем снаружи, что и вызывает притяжение.

"Научная сеть"

справка Справка

Атомный силовой микроскоп

Принцип действия атомного силового микроскопа основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами (около одного ангстрема, 10–8 см) действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно в приборе используется алмазная игла, которая плавно скользит над поверхностью образца (как говорят, сканирует эту поверхность). При изменении силы, действующей между поверхностью и острием, пружинка, на которой оно закреплено, отклоняется, и такое отклонение регистрируется датчиком. Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет информацию о высоте рельефа – топографии поверхности и, кроме того, об особенностях межатомных взаимодействий.

"Атомный силовой микроскоп"

Исследователи из США и России продемонстрировали в эксперименте, что силой Казимира, возникающей в микромире между двумя близко сведенными поверхностями, можно управлять, регулируя концентрацию свободных носителей заряда (за счет изменения свойств материала - полупроводника). Полученные результаты могут оказаться чрезвычайно важными для проектирования будущих "микроэлектромеханических" систем - так называемых MEMS (microelectromechanical systems). Соответствующая статья опубликована в журнале Physical Review Letters (Phys Rev Lett 97 170402). Ее можно также найти и на сайте электронных препринтов arXiv.org.

Таинственное притяжение, возникающее между двумя незаряженными поверхностями в вакууме, было впервые описано в 1948 году голландским ученым Генрихом (или Хендриком) Казимиром (Hendrick Casimir). Это чисто квантовый эффект (электромагнитного происхождения), который нельзя объяснить с точки зрения классической физики, однако его существование уже неоднократно подтверждалось в ходе экспериментов.

Реальность эффекта Казимира - это еще один довод в пользу истинности квантовой теории физического вакуума. Согласно этой теории, вакуум на самом деле нельзя считать "абсолютной пустотой", он заполнен то и дело возникающими и исчезающими ("виртуальными") парами частиц и античастиц. Если две параллельные пластины в вакууме свести на достаточно малое расстояние (порядка нескольких микрон), то в пространстве между этими пластинами будут подавляться частицы всех длин волн, отличных от резонансных (то есть тех, что с модами, кратными расстоянию между пластинами - это похоже на колебания струны конечных размеров). То есть подавляются "флуктуации вакуума" в этом промежутке, а вот спонтанно появляющиеся фотоны, которые возникают вне пластин, порождают силу, стремящуюся свести пластины вместе (возникает своего рода "давление поля внешней радиации") - выходит, эта сила возникает как бы прямо "из пустоты", само пустое пространство - в виде своего рода "квантовой пены" из частиц и античастиц - воздействует на погруженные в него тела.

С эффектом Казимира связано множество всяких спекуляций, но только в 1997 году Стив Ламоро (Steve Lamoreaux) из Университета Вашингтона в Сиэтле сумел собрать экспериментальную установку, достаточно чувствительную для того, чтобы действительно достоверно измерить силу Казимира. Он сумел достичь точности результатов в пределах 5 процентов от теоретического предсказания Казимира (измерялось взаимодействие между сферической линзой диаметром 4 сантиметра и кварцевой пластиной 2,5 сантиметра в поперечнике, покрытыми медью и золотом и сведенными на расстояние в несколько микрон), то есть подтвердил предсказание эффекта на 95%.

Сила Казимира, оказавшая определенную помощь в деле развития квантовой физики, для инженеров будущего грозит стать непреодолимой помехой. Механические компоненты микрометрического масштаба, используемые в MEMS, из-за квантовых эффектов могут просто-напросто "слипаться" и не работать так, как задумано. Поэтому осуществление контроля за силами Казимира должно стать важнейшим инструментом для разработчиков MEMS (ну и далее "наномасштабных" NEMS).

Умар Мохиден (Umar Mohideen) - американский физик индийского происхождения из Калифорнийского университета (University of California) в Риверсайде, давно и плодотворно занимающийся исследованиями, связанными с эффектом Казимира, - вместе со своими коллегами по университету, а также учеными из Москвы и Петербурга Галиной Климчитской и Владимиром Мостепаненко сумел сделать важный шаг на пути к управлению силой Казимира, продемонстрировав, что материалы с более высокой концентрацией свободных носителей заряда (то есть электронов, которые ни к чему не привязаны) испытывают большее влияние со стороны силы Казимира, чем с низкой концентрацией оных.

Исследователи пришли к этому выводу путем экспериментов с атомным силовым микроскопом (atomic force microscope - AFM) и покрытой золотом микроскопической полистирольной сферой диаметром в 200 микрон, приложенной к консоли этого микроскопа. Лазерный луч, отражаемый консолью и попадающий затем на фотодетектор, позволял измерять мельчайшие движения всей этой конструкции. Другой своей стороной сфера сближалась с кремниевой пластинкой, и при этом производилось измерение силы Казимира между этими двумя поверхностями, разнесенными на 70 нанометров.

Были изучены два разных случая - эталонная пластинка и пластинка, содержавшая в себе примеси, способствовавшие увеличению концентрации свободно переносимого заряда приблизительно в 20 тысяч раз. Как известно, кремний - это полупроводник, поэтому он при некоторых условиях может изменять соответствующие свои свойства сразу на несколько порядков. Введение небольшого количества примесей (допирование) способно резко изменить количество свободных носителей положительного заряда (так называемых "дырок") и, следовательно, пропорционально отразиться на концентрации зарядов отрицательных.

Выяснилось, что сила Казимира, возникающая между шаром и пластиной, в этих двух случаях различалась приблизительно на 7%. Это хорошо согласуется с теоретическими предсказаниями, сделанными полвека назад советским ученым Евгением Лифшицем.

Источники:
A Casimir force for good in MEMS design - PhysicsWeb
Demonstration of the difference Casimir force for samples with different charge carrier densities - arXiv

Ссылки:
Эффект Казимира не может приводить к расталкиванию симметричных тел - "Элементы"
Обнаружена ошибка в расчетах эффекта Казимира для микромеханических устройств - "Элементы"
Эффект Казимира - "Астронет"
Эффект Казимира - Владимир Мостепаненко
Umar Mohideen
Минус-материя - "Знание - сила"

Максим Борисов, 04.11.2006


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама
Выбор читателей