You are here
Home > Nauka > Kwantowa lewitacja: po raz pierwszy wykorzystano efekt odpychającej siły Casimira

Kwantowa lewitacja: po raz pierwszy wykorzystano efekt odpychającej siły Casimira

Efekt Casimira był teoretycznie znany od 1948 roku, kiedy to holenderscy fizycy Hendrik Casimir i Dirk Polder zaproponowali istnienie siły, która wyłaniała się ze skwantowanego pola. Pomiędzy dwoma nienaładowanymi płytkami, oddzielonymi od siebie o kilka mikrometrów bez żadnego zewnętrznego pola elektromagnetycznego, pojawia się siła – przyciągająca lub odpychająca, w zależności od ustawienia płytek. Siła ta bierze się z fluktuacji próżni zawierającej wirtualne fotony i jest oczywiście bardzo niewielka – ale powinna być mierzalna. Do tej pory fizykom udawało mierzyć jedynie siłę przyciągającą. Jednak kilka tygodni temu fizykom z Harvardu udało się wytworzyć między stworzonymi przez siebie kompozytowymi materiałami siłę odpychającą i tym samym potwierdzić, że ta wersja efektu Casimira to nie tylko teoretyczna spekulacja.

Problemem z wykorzystaniem tej siły było to, że gwałtownie słabnie z odległością. Można ją zmierzyć tylko w skali atomowej. Wtedy jednak jest tak silna, że stanowi najważniejszą siłę pomiędzy nienaładowanymi przewodnikami. Jeśli oddalone one są od siebie o 100 nanometrów, to efekt Casimira można porównać do siły wywieranej przez ciśnienie o wielkości 101 kPa (około jednej atmosfery).

Dziś specjaliści od elektrodynamiki kwantowej wyjaśniają efekt Casimira w kategoriach wirtualnych cząstek oddziałujących z fizycznymi obiektami, jednak sami liczą ją w kategoriach energii punktu zerowego skwantowanego pola w przestrzeni dzielącej obiekty. Efekt przyciągający był dobrze znany specjalistom od nanotechnologii, którzy z rozpaczą patrzyli, jak elementy ich nanomaszyn sklejają się ze sobą. Jednak jeśli chodzi o efekt odpychający, to nie było do tej pory metod na wyjście poza teorię.

Badaczom z Harvardu pracującym pod kierownictwem profesora Federico Capasso udało się to – stworzyli innowacyjne kompozycje materiałów, które pozwoliły uzyskać odpychającą siłę Casimira. Dzięki nim będzie można w skali nano budować maszyny działające bez tarcia. Wyniki ich badań zostały opublikowane w prestiżowym periodyku Nature. Profesor Capasso powiedział: „Odpychające siły Casimira są niezwykle interesujące, ponieważ można je wykorzystać w ultraczułych urządzeniach do lewitowania obiektów zanurzonych w cieczy na nanometrowe odległości ponad powierzchnią. Dzięki temu można też dokonywać ich swobodnej rotacji i translacji względem siebie z minimalnym tarciem, ponieważ ich powierzchnie nigdy nie wchodzą w kontakt ze sobą”.

A jak udało się dokonać tej sztuczki? Gdy dwie powierzchnie z tego samego materiału – np. złota – są oddzielone przez próżnię lub płyn, to między nimi występuje zawsze siła przyciągająca. Jednak Capasso wykorzystał jedną płytkę ze złota, a drugą z krzemu i umieścił je w bromku fenylu (C6H5Br) – znanym rozpuszczalniku organicznym, stosowanym też czasem jako paliwo silnikowe. W tym zestawieniu siła Casimira zaczęła działać odpychająco. Już teraz uczeni złożyli wniosek patentowy obejmujący nanourządzenia wykorzystujące kwantową lewitację.

Zastosowania odpychającej siły Casimira wykraczają jednak daleko poza nanomaszyny. Jak zapewne niektórzy czytelnicy wiedzą, Kip Thorne, autor koncepcji tuneli czasoprzestrzennych twierdził, że egzotyczną materię potrzebną do ich budowy można ustabilizować tylko za pomocą odpychających sił Casimira. Niektórzy twierdzą też, że możliwe byłoby stworzenie układów, które naruszałyby (przynajmniej lokalnie) zasadę zachowania energii.

Related posts:

Top