Остання робота вчених із США показує, яким чином може бути вирішена “загадка Казимира”

Остання робота вчених із США показує, яким чином може бути вирішена «загадка Казимира» – завдання про те, як для двох реальних металевих об’єктів повинна розраховуватися сила Казиміра. На їхню думку, правильний результат дає так звана модель Друде, згідно з якою до електронного газу в реальних металах можна застосувати «класичну» кінетичну теорію газів, а не модель «плазми». Розуміння того, як вирішується це завдання, на думку вчених, у майбутньому дозволить розробляти механізми масштабами кілька нанометрів.

Схема експерименту, запропонованого для вимірювання сили Казимира при широкому діапазоні відстаней між металевими поверхнями.

Існування сили Казимира було передбачено в 1948 році голландським фізиком, який стверджував, що вона виникає між двома ідеально провідними металевими пластинами, розміщеними паралельно один одному у вакуумі. Згідно постулатів квантової механіки, енергія електромагнітного поля у вакуумі не дорівнює нулю, а постійно коливається навколо деякого середнього значення. При цьому між двома металевими пластинами, розташованими один від одного на певній відстані, будуть «можна» тільки певні довжини хвиль, що відповідають умові резонансу. Роботи Казимира доводять, що тиск електромагнітного поля за межами пластин, як правило, декілька вище, ніж між пластинами. Таким чином, на пластини діє результуюча сила тяжіння один до одного.

Сила ця була настільки маленькою, що вперше зафіксувати її на експерименті змогли тільки в 1997 році. Хоча це було перше і досить істотне експериментальне просування в теорії Казимира, до цих пір було не зрозуміло, як ця сила повинна розраховуватися для реальних об’єктів.

Хоча сила Казимира був виміряна на практиці між двома золотими пластинами, проблема полягала в тому, що золото не є ідеальним провідником. Це означає, що електромагнітне поле може проникати вглиб провідника на певний (кінцеве) відстань. Таким чином, при теоретичному розрахунку такої сили необхідно враховувати більший зазор між пластинами, ніж якби метал був ідеальним провідником (і в результаті буде отримано менша сила).

Потенційно існує дві теорії, за допомогою яких можна виконати точні розрахунки сили Казимира для реальних об’єктів при відстанях між пластинами менше 1 мкм: плазмова модель і модель Друде. Перша розглядає реальний метал – як хмара вільних електронів, що переміщаються усередині кристалічної решітки, у вузлах якої розташовані позитивно заряджені іони. Друга являє електрони, як електронний газ з твердих сфер, до якого можна застосувати кінетичну теорію газів. Для невеликих відстаней обидві теорії дають однакові результати. Але на відстанях, більших 1 мкм, результати відрізняються. Досі вчені не могли побудувати експеримент, який вимірював би силу Казимира при достатньо широкому діапазоні відстаней, щоб прийняти рішення, яка модель дає правильний результат.

Для вирішення цієї задачі група вчених з Yale University (США), яка раніше брала участь в побудові першого експерименту з вимірювання сили Казимира, розробила спосіб вимірювань, придатний для відстаней від 100 нм до 2 мкм.

Хоча спочатку теорія Казимира була сформульована для паралельних пластин, на практиці було вирішено від них відмовитися (т. к. при таких масштабах виявилося досить складно позиціонувати пластини паралельно один одному). Ще в 1997 році було запропоновано використовувати для вимірювання сили Казимира металевий кулю, розмінний близько пластини. У поточному експерименті вчені розглядали силу, що виникає між золотим покриттям сфери радіусом 4 мм і тонкої (кілька сотень нанометрів товщиною) мембрани з нітриду кремнію (також покритої золотом, причому товщина покриття становила 200 нм). Мембрана була «натягнута» на рамці з кремнію і вібрувала під дією п’єзоелектричного приводу. Для проведення вимірювань сфера позиціонувалася над поверхнею з точністю до 1 мкм, а за допомогою оптоволоконного інтерферометр контролювалися зміни в частоті коливань мембрани (на яку надавала вплив вимірюється сила Казиміра).

Вимірювання на широкому діапазоні відстаней між сферою і мембраною показали, що поведінка сили Казимира в реальних металах найкраще описується теорією Друде. Також було виявлено, що на вимірювання впливає потенціал поверхні. Детальні результати роботи були опубліковані в журналі Physical Review Letters.

Залишити відповідь

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