Hur man bygger Casimir-molekyler

Casimir-effekten är en ständig källa till fascination för fysiker. Effekten existerar på grund av vakuumets kvanta natur som är fylld med elektromagnetiska vågor som hoppar in och ut ur existensen.

Placera två parallella ledande plattor nära varandra i detta vakuum och de större vågorna får inte plats mellan dem. Så vågorna utanför trycker ihop plattorna. Det är den berömda Casimir-styrkan som först mättes exakt 1997.

Under de senaste åren har fysiker dock beräknat att kombinationen av olika material i olika former borde generera frånstötande krafter (även om denna kraft ännu inte har mätts).

Idag säger Alejandro Rodriguez och kompisar vid Massachusetts Institute of Technology i Cambridge att genom att noggrant välja nanopartiklar av olika material och storlekar bör de attraktiva och frånstötande Casimir-krafterna leda till en stabil konfiguration; en Casimir-molekyl kan man säga.

I en imponerande analys beräknar Rodriguez och co Casimir-krafterna för kombinationer av oändliga plattor gjorda omväxlande av kisel och kiseldioxid, för nanopartiklar och för alternerande plattor och sfärer.

Men deras mest intressanta analys är på krafterna mellan teflon och kiselnanosfärer nedsänkta i etanol. Genom att noggrant välja radierna för dessa sfärer kan den hängas upp mot tyngdkraften ovanför en oändlig platta. Det visar sig att krafterna mellan partiklarna är frånstötande vid separationer närmare än 100 nm men blir attraktiva när avståndet ökar.

Det är uppenbart att detta är en fascinerande situation där sfärerna ska bilda en stabil, icke-berörande klunga. Dessutom är detta ett experiment som skulle kunna göras relativt enkelt idag, förutsatt att storleken på nanopartiklarna kan kontrolleras med den precision som krävs.

Det är spännande grejer men dessa experiment kommer att vara fyllda med svårigheter. MIT-teamet erkänner att det är känt att det är svårt att beräkna även tecknet på Casimir-kraften i komplexa geometrier.

Det beror delvis på att Casimir-krafter inte är additiv som konventionella krafter. Så när mer än en kraft måste beaktas ökar komplexiteten i beräkningarna snabbt. (I det här fallet finns det de frånstötande och attraktionskrafterna mellan sfärerna såväl som den upphängande kraften över den oändliga plattan.)

Det är därför det inte är möjligt att enkelt generalisera effekten ytterligare, kanske att skapa ett helt ark av stabila nanopartiklar. Om den typen av stabil 2D Casimir-kristall ens är möjlig är inte känt.

Men MIT-teamet säger att detta teflon-kisel nanopartikelarrangemang borde vara en bra utgångspunkt för experimentell undersökning. Lycka till till dem!

En fråga som teamet inte tar upp i detta dokument är vad Casimir-molekyler och kristaller kan vara användbara för. Alla förslag mottages tacksamt.

Ref: arxiv.org/abs/0912.2243 : Icke-berörande nanopartikeldikluster bundna av frånstötande och attraktiva Casimir-krafter

Dölj