Американские физики придумали, как справиться с возникающими в наномасштабах силами притяжения. И, похоже, разработали геометрию, при которой объект сможет левитировать над другим.
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.
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.
