Jak zbudować cząsteczki Casimira

Efekt Casimira jest stałym źródłem fascynacji fizyków. Efekt istnieje dzięki kwantowej naturze próżni, która jest wypełniona falami elektromagnetycznymi, które pojawiają się i znikają.

Umieść dwie równoległe płytki przewodzące blisko siebie w tej próżni, a większe fale nie zmieszczą się między nimi. Tak więc fale na zewnątrz spychają płyty razem. To słynna siła Kazimierza, którą po raz pierwszy dokładnie zmierzono w 1997 roku.

Jednak w ostatnich latach fizycy obliczyli, że połączenie różnych materiałów o różnych kształtach powinno generować siły odpychające (chociaż siła ta nie została jeszcze zmierzona).

Dziś Alejandro Rodriguez i koledzy z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge mówią, że poprzez staranny dobór nanocząstek z różnych materiałów i rozmiarów, przyciągające i odpychające siły Casimira powinny doprowadzić do stabilnej konfiguracji; można powiedzieć, cząsteczka Casimira.

W imponującej analizie Rodriguez i spółka obliczyli siły Casimira dla kombinacji nieskończonych płyt wykonanych na przemian z krzemu i dwutlenku krzemu, dla nanocząstek oraz dla naprzemiennych płyt i kul.

Jednak ich najciekawsza analiza dotyczy sił między nanosferami teflonu i krzemu zanurzonymi w etanolu. Starannie dobierając promienie tych kul, można je zawiesić wbrew sile grawitacji nad nieskończoną płytą. Okazuje się, że siły między cząstkami są odpychające przy odległościach bliższych niż 100 nm, ale stają się atrakcyjne wraz ze wzrostem odległości.

Jest to oczywiście fascynująca sytuacja, w której sfery powinny tworzyć stabilną, nie dotykającą się dystrym. Co więcej, jest to eksperyment, który można dziś przeprowadzić stosunkowo łatwo, pod warunkiem, że wielkość nanocząstek można kontrolować z wymaganą precyzją.

To ekscytujące, ale te eksperymenty będą trudne. Zespół MIT przyznaje, że obliczenie nawet znaku siły Casimira w skomplikowanych geometriach jest niezwykle trudne.

Dzieje się tak częściowo dlatego, że siły Casimira nie sumują się, jak siły konwencjonalne. Tak więc, gdy trzeba wziąć pod uwagę więcej niż jedną siłę, złożoność obliczeń gwałtownie wzrasta. (W tym przypadku między sferami występują siły odpychające i przyciągające, a także siła zawieszająca nad nieskończoną płytą.)

Dlatego nie jest możliwe łatwe dalsze uogólnienie efektu, być może stworzenie całego arkusza stabilnych nanocząstek. Nie wiadomo, czy taki stabilny kryształ Casimira 2D jest w ogóle możliwy.

Zespół MIT twierdzi jednak, że układ nanocząstek teflonowo-krzemowych powinien być dobrym punktem wyjścia do badań eksperymentalnych. Powodzenia im!

Jednym z pytań, którego zespół nie zajmuje się w tym artykule, jest to, do czego mogą być przydatne molekuły i kryształy Casimira. Wszelkie sugestie otrzymane z wdzięcznością.

Nr ref.: arxiv.org/abs/0912.2243 : Niedotykające się gromady nanocząstek związane odpychającymi i przyciągającymi siłami Kazimierza

ukryć