Нанопритяжение превратилось в нанолевитацию

Ученые из Массачусетского технологического института рассчитали силы, которые мешают им работать в наномире. Дело в том, что при приближении прикладных областей физики, биологии и медицины к шкалам, в которых расстояния и размеры объектов измеряются в нанометрах, люди неминуемо сталкиваются с явлениями и эффектами, действие которых в макромире не заметно, но в наномире очень ощутимо.

Один из таких эффектов -- уже известные физикам квантовые силы Казимира, существование которых предсказал нидерландский физик Хендрик Казимир еще в 1948 году. Около полувека инженеры могли игнорировать эти артефакты квантовой физики. Но при конструировании таких приборов, как встроенные акселерометры и микрозеркала в цифровых проекторах, с этими силами, особенно, если это силы притяжения, приходится считаться.

Казимировы силы

С появлением квантовой механики представление ученых о вакууме как «хранилище» всевозможных частиц при низких температурах изменилось. Оказалось, что в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают пары виртуальных частиц, из-за чего происходят постоянные флуктуации полей, связанных с этими частицами. Рождаются и исчезают виртуальные фотоны, причем соответствующие всем длинам волн электромагнитного спектра. Даже если в пространстве нет реальных частиц и реальных фотонов, электрические и магнитные поля продолжают совершать нулевые колебания. В 1948 году Хендрик Казимир показал, что в вакууме между двумя проводящими параллельными плоскостями рождение виртуальных фотонов может ограничиваться. Это происходит на определенных «резонансных» расстояниях между плоскостями. В результате давление виртуальных фотонов изнутри на две плоскости оказывается меньше, чем давление на те же плоскости извне, где рождение фотонов ничем не ограничено. Иначе говоря, вакуум между пластинами в таком случае напоминает область пространства, «из которого откачали все и еще чуть-чуть».

Эффект Казимира заключается во взаимном притяжении друг к другу двух проводящих поверхностей в вакууме, разделенных расстоянием меньше одного микрона. Чаще всего физики-теоретики изучают плоские незаряженные параллельные пластины, однако в общем случае эффект должен наблюдаться и при произвольной геометрии объектов.

Нано-плюс и нано-минус

Долгое время ученые не могли ответить на вопрос: а может эффект притяжения двух разнесенных по разные стороны от воображаемой плоскости микрообъектов (металлов или диэлектриков) смениться на отталкивание? Да, может, доказали физики-теоретики и математики из Массачусетского технологического института. Результатами работы группы с Infox.ru поделился Алехандро Родригес, автор статьи, принятой к публикации в журнале Proceedings of the National Academies of Sciences.

Ученые показали, что силы Казимира, возникающие на расстояниях в сотни нанометров, можно моделировать силами между объектами, в 100 тыс. раз большими и в 100 тыс. раз более удаленными друг от друга. Если при этом представить, что они погружены в проводящую жидкость. Так, вместо подсчета сил, создаваемых случайными вспышками виртуальных фотонов, можно просто считать напряженность электромагнитного поля на разном удалении от куда больших объектов.

Создав специальный математический аппарат, ученые подсчитали, что отталкивание будет наблюдаться между металлическим продолговатым объектом и металлической плоскостью с дырой. Отталкиваться проводящий эллипсоид вращения будет до некоторого расстояния от дыры, на больших расстояниях отталкивание сменится притяжением. Это означает, помимо прочего, возможность левитации микроскопических объектов над плоскостью с дырой.

«Заветной целью в казимировой физике было найти такие геометрии, в которых можно получить отталкивание», -- пояснил Диего Дэльвит, специалист из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе. Подобный расчет поможет инженерам в дальнейшем конструировать микроэлектромеханические системы (МЭМС) так, чтобы их движущиеся шестеренки, шатуны и червячные передачи не прилипали друг к другу. Это должно снизить потери на трение и уменьшить частоту отказов. Однако полагаться на созданный математический аппарат при прогнозировании казимировой силы отталкивания ученым не приходится. «Если интуиция вам и подсказывает, какая геометрии приведет к отталкиванию, то точный ответ дать сможет только техника», -- добавил Дэльвит.