Физики учатся управляться с "квантовой пеной"
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.
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.
|
