Наноелектромеханічні пристрої можуть протистояти небажаного ефекту злипання їх компонентів

Фізики з Швеції, Норвегії та Австралії з’ясували, як наноелектромеханічні пристрої можуть протистояти небажаного ефекту злипання їх компонентів, викликаному дією сил Казимира — Ліфшиця. Зазвичай виникнення цих сил пов’язують з квантовими флуктуаціями електромагнітного поля у вакуумі — не абсолютної порожнечі, а «океані» постійно народжуються і зникають віртуальних частинок, в число яких входять і фотони. Якщо розглянути, наприклад, дві провідні незаряджені паралельні пластини, розташовані поруч, то в зазорі між ними народження віртуальних фотонів буде обмежуватися.

В результаті зовнішній тиск, створюване фотонами, перевищить тиск в зазорі, і пластини, як показав голландський теоретик Хендрік Казимир, почнуть тягнутися.

Відома і інша формулювання, в якій сила, що змушує пластини зближуватися, виводиться без залучення квантових флуктуацій і вважається аналогом давно відомого ван-дер-ваальсова взаємодії. Згідно з цим визначенням, сили Казимира — Ліфшиця діють на тих відстанях, де ефекти запізнювання електромагнітного взаємодії стають істотними.

Якщо ж відстань між тілами невелика (~10 нм), а ефекти запізнювання ролі не грають, фахівці говорять про сили Ван-дер-Ваальса.


Рис. 1. Модельна несиметрична система для вивчення взаємодії Казимира — Ліфшиця (ілюстрація з журналу Applied Physics Letters).

До цих пір ми обговорювали тільки притягають сили, але це не означає, що їх не можна зробити відштовхують. Можливість такого перетворення довів радянський вчений Євген Ліфшиц, який розглянув не конкретний приклад металевих тіл і розділяє їх вакууму, а більш загальний випадок об’єктів і середовища з довільними значеннями діелектричної проникності ε1, ε2 і ε3. При коректному виборі параметрів (скажімо, ε1 > ε3 > ε2) обчислюється сила Казиміра — Ліфшиця стає отталкивательной, що і було підтверджено у недавніх експериментах.

Автори ще ускладнили завдання, зробивши досліджувану систему несиметричною: в їх моделі на один із взаємодіючих об’єктів — пластин з діоксиду кремнію — наносилося найтонше (5-50 Å) золоте покриття. У просторі між пластинами знаходилася рідина (бромбензол або толуол).

Як виявилося, після додавання покриття сила Казиміра — Ліфшиця набуває дуже цікаву залежність від відстані між діелектричними пластинами. На відносно великих інтервалах взаємодія має отталкивательный характер, причому сила відштовхування збільшується по мірі зближення пластин і з часом досягає максимуму, значення якого зростає при зменшенні товщини золотої плівки.

При подальшому зближенні взаємодія послаблюється, а на якийсь критичної дистанції, також визначається товщиною металевого покриття, і зовсім пропадає. Коли зазор роблять ще більш вузьким, сила стає притягує.

Можливість «регулювання» сили і спостереження ефекту левітації об’єктів в рідини повинна зацікавити розробників мікро – і наноэлектромеханических пристроїв, для мініатюрних елементів яких притягує взаємодія Казимира — Ліфшиця особливо небезпечно. Саме тому в своїх майбутніх розрахунках фізики планують змоделювати взаємодії інших матеріалів (оксиду цинку, оксиду гафнію), часто використовуваних в микроэлектрических і мікрооптичних системах.

Повний варіант звіту опублікована в журналі Applied Physics Letters.

Підготовлено за матеріалами Phys.Org.

 

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *