Золотой образчик измерения силы Казимира;
The gold standard in Casimir measurement

Физики в США, возможно, положили конец десятилетней дискуссии о том, как сила Казимира, действующая на объекты, разделенные крошечными расстояниями, должна быть рассчитана для двух металлических предметов. Они говорят, что так называемая модель Друде, которая рассматривает металл как совокупность положительных ионов и электронов, похожих на бильярдные шары, смотрится более выигрышно, чем «модель плазмы», которая предполагает, что электроны движутся в определенной решетке положительных ионов. Понимание того, как определять силу может играть важную роль в разработке устройств микрометрового и нанометрового размера.

Сила Казимира была предсказана в 1948 году голландским физиком Хендриком Казимиром, который рассмотрел, что происходит, когда две незаряженные, идеально проводящие металлические пластины, расположены друг против друга в вакууме. Согласно квантовой механике, энергия электромагнитного поля в вакууме не равна нулю, но постоянно колеблется вокруг некоторого среднего значения. Однако, при резонансе только определенные длины волн будут существовать между двумя пластинами, разделенными некоторым расстоянием.

Казимир выяснил, что световое давление поля за пределами пластин, как правило, несколько больше, чем между пластинами, которые, таким образом, притягиваются друг к другу. Так как она очень маленькая, то измерить силу Казимира оказалось чрезвычайно трудно, и лишь только в 1997 году Стив Ламоро (Steve Lamoreaux), из университета в штате Вашингтон, США, экспериментально подтвердил теорию Казимира. Хотя Ламоро и другие, с тех пор провели более точные измерения, оставалась проблема относительно того, как сила Казимира должна быть рассчитана для реальных объектов.

Большие щели, слабая сила

Несмотря на успешные измерения силы Казимира, сделанные между двумя золотыми поверхностями, проблема в том, что золото не является идеальным проводником, а это означает, что электромагнитное излучение может проникать на конечную глубину в металл. Из-за этого зазор между поверхностями фактически больше и сила слабее, в сравнении с тем, если бы металл был идеальным проводником, объясняет Торстен Эмиг (Thorsten Emig) из университета Paris Sud, эксперт по силе Казимира, который не участвует в этой последней работе.

Обе модели ? и плазменная, и Друде, хорошо описывают, как коротковолновый свет взаимодействует с металлическими поверхностями, - и поэтому могут быть использованы для вычисления силы Казимира при относительно малых расстояниях менее 1 мкм. На больших расстояниях, однако, модели отличаются. Плазменная модель предсказывает, что "статическая поперечная" электрическая мода электромагнитного поля в зазоре способствует силе Казимира, в то время как модель Друде говорит, что это не так. К сожалению, физики не смогли использовать один и тот же прибор для измерения силы Казимира в достаточно большом диапазоне расстояний, для того чтобы решить, какая модель лучше всего работает на всех расстояниях.

Модель Друде работает лучше всего

Ламоро, который в настоящее время работает в Йельском университете, объединил усилия с Хонг Тан (Hong Tang) и его коллегами для измерения силы Казимира в самом широком диапазоне расстояний до настоящего времени - от 100 нм до 2 мкм. При этом, они впервые показали, что модель Друде лучше всего работает и на длинных, и на коротких расстояниях.

Хотя первоначально Казимир сформулировал свою теорию для параллельных пластин, на самом деле измерение силы таким образом, является сложным, потому что очень трудно выровнять пластины достаточно хорошо, чтобы выполнить эксперимент. Прорыв Ламоро в 1997 году связан с измерением силы между металлической пластиной и металлическим шаром ? при этом не требуется точного выравнивания. Его последний эксперимент заключается в измерении силы, действующей между сферой, покрытой золотом, радиусом 4 мм и чрезвычайно тонкой мембраной из нитрида кремния, также покрытой золотом. Мембрана толщиной всего несколько сотен нанометров и золотое покрытие составляет 200 нм. Важной особенностью полученной золотой поверхности является то, что она плоская с точностью до 3 нм по всей мембране, представляющей собой квадрат со стороной размером 1 мм.

Вибрирующая мембрана

Мембрана натягивается, как барабан на кремниевую рамку, которая вибрирует с помощью пьезоэлектрического привода. Измерение производится путем подведения сферы с точностью около 1 мкм к поверхности золота, контролируя колебания мембраны с помощью оптоволоконного интерферометра. Наличие силы Казимира может быть обнаружено по ее влиянию на то, как мембрана вибрирует. Сила измеряется на различных расстояниях: приблизительно от 100 нм до 2 мкм.

В теории, все точки на металлической поверхности должны иметь один и тот же электрический потенциал, но на практике молекулы, адсорбированные на поверхности изменяют потенциал так, что это может повлиять на измерения силы - в частности, на относительно больших расстояниях. Чтобы учесть этот эффект, исследователи применили растровое сканирование сферы с несколькими мембранами для измерения поверхностного потенциала в зависимости от расстояния. Это позволило выбрать мембрану с наименьшей вариацией для измерения силы Казимира. Информация сканирования также используется для коррекции пространственных вариаций во время измерения.

Показывая, что модель Друде лучше всего подходит для описания силы Казимира, исследователи также отмечают важную роль изменения потенциала на поверхности при измерениях. Они предполагают, что следующим важным шагом в измерениях силы Казимира будет картографирование изменения потенциала на поверхности сферы. В случае успеха это позволит проводить измерения на еще больших расстояниях, что видится Ламоро как важный следующий шаг в нашем понимании силы Казимира.

Эксперимент описан в журнале Physical Review Letters .

Об авторе Хэмиш Джонстон (Hamish Johnston), редактор physicsworld.com

Перевод: Олег Кириллов