Эффект Казимира позволил управлять мельчайшими объектами ( 3 фото )

Pate Jacob et al. / Nature physics, 2020

Команда из американских и австралийских физиков использовала эффект Казимира для удержания и перемещения тонкой мембраны. Сам эффект заключается в притяжении двух проводящих тел на небольшом расстоянии из-за флуктуаций виртуальных и термических фотонов. Ученые научились использовать это явление для контроля напряжения и добротности тончайшей пластинки. В будущем это потенциально поможет создать инструментарий для дистанционного управления системами резонаторов без введения в них энергетических потерь. Статья опубликована в журнале Nature Physics.

Согласно квантовой теории поля, в нашем мире не существует абсолютного вакуума. Даже если каким-то образом полностью избавиться от материи в некоторой области пространства, на ее месте непрерывно будут рождаться и исчезать пары из виртуальных частиц и античастиц. Такому явлению сопутствуют флуктуации связанных с этими частицами полей, в том числе электромагнитнитных, квантами которых являются фотоны. В любой точке пространства непрерывно рождаются и исчезают виртуальные фотоны произвольной частоты, однако на их спектр можно наложить ограничения. Так, между двумя параллельными проводящими пластинами может родиться только виртуальный фотон, частота которого соответствует длине стоячей волны между этими проводниками. При этом снаружи пластин таких ограничений нет, а значит виртуальных фотонов там будет больше. Поэтому давление этих квантов электромагнитного поля на внешние стенки пластин будет превышать давление на внутренние, из-за чего проводники будут притягиваться. Этот эффект в 1948 году открыл голландский физик Хендрик Казимир.

Позже этот эффект теоретически обобщили на тела произвольной формы и различной диэлектрической проницаемости, однако достаточно точные эксперименты по проверке предсказаний Казимира удалось поставить уже только в 1997 году. Недавно стало известно и о подтверждении теоретически предсказанного термического эффекта Казимира — похожего явления, которое можно наблюдать при ненулевых температурах. Он происходит не из-за рождения и исчезновения виртуальных частиц, а из-за вполне реальных термических фотонов. Они, в свою очередь, как и в классическом эффекте Казимира, порождают флуктуации электромагнитного поля, но природа этих колебаний уже не квантовая, а термическая.

Сейчас появляется все больше и больше указаний на то, что сила Казимира может оказаться очень полезным инструментом для физиков. Так, Джейкоб Пэйт (Jacob Pate) из Калифорнийского университета в своей работе предложил способ исследования эффекта Казимира с помощью микроволнового резонатора и его использование для изменения механических характеристик тонких проводящих мембран. Чтобы исследовать силу Казимира, Пэйт и его коллеги помещали тонкие мембраны из нитрида кремния с металлическим напылением рядом с пластиной микроволнового резонатора на расстоянии около микрометра. Это расстояние напрямую влияло на генерируемую резонатором частоту, которая использовалась как чувствительный индикатор положения мембраны. Чем меньше зазор между мембраной и пластиной резонатора — тем сильнее сила Казимира, притягивающая мембрану к резонатору. Именно ее величину пытались определить исследователи, расположив над мембраной электрод, который притягивал эту тонкую пластинку в противовес силе Казимира. По реакции мембраны на силу притяжения электрода ученые могли сказать, как сильно эффект Казимира удерживает ее в исходном положении.


Схематичное изображение экспериментальной установки

Pate Jacob et al. / Nature Physics, 2020

Так физики отследили зависимость силы Казимира от расстояния между мембраной и пластиной резонатора, а также показали ранее не наблюдавшуюся нелинейность этой зависимости для некоторых исходный значений ширины зазора. Большое внимание авторы уделили и тому, как именно сила Казимира влияет на механические характеристики мембраны. Для этого они подавали на электрод периодически изменяющееся напряжение, тем самым заставляя мембрану дрожать с частотой собственных акустических колебаний. Оказалось, что эффект Казимира накладывал на мембрану сильные граничные условия, что приводило к резкому изменению мод колебаний пластинки и к увеличению ее добротности.


Зависимости частоты резонатора от силы воздействия электрода. (a) — мембрана ближе всего к резонатору, (o) — находится далеко от него в свободном состоянии. В наблюдениях (g) и (h) видны отклонения от линейности.

Pate Jacob et al. / Nature Physics, 2020

Авторы уверены, что обнаруженный эффект может очень пригодиться исследователям, которые занимаются резонансами механических, оптических и даже электрических систем. Ведь сила Казимира дает возможность накладывать на подобные мембранные резонаторы сложные граничные условия, регулировать их степени свободы, при этом оставляя объект исследования подвешенным в воздухе и не внося в него лишние колебания. Важно и то, что таких результатов физики добились при комнатных температурах, ведь в таких условиях любой прямой контакт исследуемой системы с окружающей средой непременно приведет к тепловому «загрязнению» объекта исследований.

Но не всегда эффект Казимира приводит к притяжению: ученые из Гонконга уже научились достигать отталкивания наноструктур с помощью этого эффекта. Форму исследуемых объектов уже тоже можно варьировать. К примеру, в 2018 году получилось измерить силу Казимира между двумя проводящими сферами.

Никита Козырев

Материал взят: Тут