Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Установка для обнаружения силы Казимира

Ученые укротят эффект Казимира

Ключевые слова:  Наноэлектромеханические устройства, сила Казимира

Опубликовал(а):  Клюев Павел Геннадиевич

22 января 2010

Если ученые из национальной лаборатории Аргона успешно сведут на нет действие эффекта Казимира, то это обещает стать революционным словом в истории наноэлектромеханических систем. (Александр Е. Браун, ведущий редактор Semiconductor International)

В настоящее время ученые Аргоннской национальной лаборатории (Argonne National Laboratory (ANL), США) работают над тем, как «обуздать» эффект Казимира, квантовомеханической силы, возникающей между объектами на расстоянии нескольких нанометров, которая препятствует созданию наноэлектромеханических систем (НЭМС). НЭМС могут найти свое применение в таких областях науки и техники, как зондирование, телекоммуникации, обработка сигналов, хранение данных и др. Однако на расстояниях порядка нанометра эта сила достаточно сильна, чтобы препятствовать осуществлению контроля за такими устройствами. И если не найти выхода из сложившейся ситуации, может оказаться, что потенциальные возможности НЭМС никогда не будут реализованы.

Предсказанный в 1948 году голландским физиком Хендриком Казимиром (Hendrik B.G. Casimir), эффект основывается на том факте, что в вакууме происходят постоянные колебания (флуктуации), связанные с рождением и исчезновением виртуальных частиц и античастиц. Этот эффект наблюдается между двумя металлическими параллельными пластинами, расстояние между которыми составляет около 100 нм. Такое расстояние накладывает ограничения на диапазон длин волн, разрешенный для этих виртуальных частиц. С уменьшением числа разрешенных длин волн (виртуальных частиц) внутри пространства между пластинами, там падает плотность энергии по сравнению с таковой во внешнем пространстве, где рождение виртуальных частиц ничем не ограничено. В результате, между пластинами создается отрицательное давление, которое притягивает пластины друг к другу. Чем ближе друг к другу поверхности, тем больше диапазон запрещенных длин волн виртуальных частиц, тем больше отрицательное давление, и тем сильнее сила притяжения. На наноуровне она становится доминирующей силой между незаряженными проводниками. В зависимости от геометрии поверхности и других факторов, на расстояниях порядка 10 нм действие эффекта Казимира эквивалентно действию атмосферного давления (101.3 кПа).

Как говорит Даниэль Лопез (Daniel Lopez), который работает над проектом, эффект Казимира – это не просто интересное явление, это проблема. «Когда расстояние между двумя механическими объектами становится меньше 200 нм, сила Казимира становится доминирующей. И если возникает необходимость в проведении некоторых измерений, то на таких расстояниях эта сила не позволяет их провести». Лопез подчеркивает: ученые, работающие над созданием ионных ловушек для квантового компьютера, обнаружили, как близко они находятся тому пределу, когда эффект Казимира играет важную роль. «Силу требует хорошего описания. Если используешь ионные ловушки для квантового компьютера, нужно иметь четкое представление об этой силе, в противном случае, ничего не выйдет».

Цель исследователей – как можно более точно описать действие этой силы, а также ее зависимость от свойств притягивающихся материалов. Это необходимо знать для возможного устранения действия этой силы. Группа ученых из Аргоны получила грант Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) на исследования в области создания таких контролирующих устройств. Эффект Казимира вызывает силу притяжения. А если бы удалось сделать ее силой отталкивания, то появилась бы возможность использовать эту силу для работы наноэлектромеханических устройств. «Это заманчивая идея: используя законы квантовой механики можно перемещать нанообъекты, - говорит Лопез, - а эта сила могла бы стать источником энергии для перемещения таких миниатюрных устройств».

Команда исследователей уже достаточно подробно описала эффект Казимира, и знает, какие свойства компонентов и материалов влияют на него. Существует несколько способов, как можно подчинить себе действие эффекта. Создавая наноструктурные объекты приблизительно по 50 нм в каждом измерении и используя лазерный луч, как источник светового давления, можно определить возможность балансировки силы.

«Изначально эксперимент Казимира состоял в следующем: использовались две металлические параллельные пластины между которыми локализировались фотоны, - рассказывает Лопез, - предположим, на одной из пластин мы формируем некоторый нанорисунок. И теперь у нас есть «чистая» пластина и пластина, на поверхности которой сформирована группа «дорожек» толщиной около 50 нм, которая работает как дифракционная решетка и способна значительно снизить силу Казимира. Если дорожки достаточно толстые, для того, чтобы появились плазмоны, может возникнуть отталкивание. Мы стараемся держать под контролем число фотонов между пластинами и число плазмонов, вызванных сформированным на поверхности рисунком. Это позволит сделать выводы, являются ли наши расчеты верными, и можно ли формируя такие рисунки контролировать эффект Казимира».

Отталкивающая сила Казимира является привлекательной потому, что на сегодняшний день не существует другого способа управлением наноэлектромеханическими устройствами. На расстояниях менее 1 мкм процесс усложняется наличием краевых полей, термоэлектрических эффектов и других осложнений, контролировать которые невозможно. Некоторые ученые считают, что эти исследования могут привести к левитации. «Имея на наноуровне отталкивающую силу, можно заставить объекты, разделенные промежутком около 100 нм, левитировать. Трение уменьшится практически до нуля, - говорит Лопез, добавляя, что пока это всего лишь спекуляции, - однако, если уменьшить трение до такой ничтожной степени, в результате получим устройство, невероятное по своим энергосберегающим характеристикам».

И успех в этом предприятии жизненно важен. Сегодня для контроля над светом в волоконно-оптических кабелях используются миниатюрные зеркала, управляемые электрическим полем. Но размеры зеркал продолжают уменьшаться, и поле, их контролирующее, также требует своего уменьшения. «Представьте зеркало диаметром 100 мкм – большое микроэлектромеханическое устройство, - говорит Лопез, - прикладывая напряжение в 10 В, можно достаточно хорошо контролировать и перемещать это зеркало. Зеркало размером менее 1 мкм контролировать уже не так легко используя электростатические силы. И нужны «новые» силы, чтобы управлять такими устройствами. Исследования ведутся таким образом, чтобы понять, смогут ли силы Казимира выступить в качестве контролирующих сил.

Десять лет тому назад эффект Казимира был академической любопытностью. Сегодня это технологическая проблема: если наноэлектромеханическим устройствам предвещают такое широкое применение в областях науки и техники, нужно научиться контролировать силы, господствующие в наномире.

Квантовая механика стремительно становится квантовой инженерией.

Из Semiconductor International.




Комментарии
Ну вот, а производители лапшу на уши вешают, что можно что-то потребное разглядеть в сканирующие зондовые микроскопы или атомно-силовые.Под действием казимировских сил от кантеливера сканируемая поверхность должна изменяться и непонятно как.
Эффект Казимира связан с тем что есть во Вселенной фоновое излучение "реликтовое". Если Вы взяли два параллельных зеркала, то между зеркалами останутся только те реликтовые моды, которые образуют стоячие волны между зеркалами. В результате число мод между зеркаламы меньше чем число мод за зеркалами. Вышесказанное обозначает, что давление "изнутри" меньше чем давление "снаружи", зеркала должны сблизиться.
А почему эффект Казимира наблюдается только для металлических пластин?
Ответ простой: зеркала должны быть не прозрачны для реликтового излучения иначе стоячие волны между ними не образуются.
Владимир Владимирович, 23 января 2010 15:30 
Реликтовое излучение? Правда??
Не слыхал! Вот тут проще написано.
А в двух словах - электромагнитные флуктуации (без необходимости каких-либо внешних факторов и воздействий).
Лифшиц все разумно в 50-ых (тогда когда была сильна наука) объяснил, до сих пор на него ссылаются (Lifshitz, E. M. The theory of molecular attractive forces between solids. Sov. Phys. JETP 2, 73–83 (1956). Извините, что на том языке, на котором ссылаются)
Peressadko Andrey G., 25 января 2010 11:28 
Эффект Казимира это сила межмолекулярного притяжения для металлических пластин родственная Ван-дер-Ваальсовым силам.
Лифшиц в указанной выше статье показал, что такие силы существуют и между неметаллическими телами, а Дерягин подтвердил его теорию экспериментально.

Атомно силовой микроскоп работает именно на силах Ван-дер-Ваальса и нет никакого противоречия между работой АФМа и силой Казимира. Учитывая, что тип и сам кантеливер обычно сделаны из диэлектрика.

А чем это отличается от дисперсионных взаимодействий?
Силы Ван-дер-Ваальса к эффекту Казимира отношения не имеют.
Владимир Владимирович, 25 января 2010 15:56 
Дисперсионные взаимодействия наиболее традиционно интерпретируются как взаимодействия между наведенными диполями диэлектриков.
Эффект Казимира исторически постулирован для металлических пластин (в 1948 году, до работ Лифшица).
Лифшиц в своих Трудах выше представил общую теорию Ван-дер-Ваальсовых сил (хорошо описывающую в том числе и эффект Казимира), и предсказал, к слову, возможность отталкивания, которая в последние годы стала привлекать ученых и различные гранты.

P.S. Сергею Степановичу остается лишь порекомендовать взглянуть на работы Лифшица
Спасибо, Владимир Владимирович!
Владимир Владимирович, 25 января 2010 18:21 
Если атомно силовой микроскоп работает именно на силах Ван-дер-Ваальса, то зачем на кантеливер подают напряжение? Что же тогда измеряют?
Владимир Владимирович, 25 января 2010 19:32 
В АСМ напряжение не подают!
Подают в СТМ (сканирующей туннельной микроскопии).
Вот, гляньте, пожалуйста! (Хорошо, подробно описано - студентам можно будет рассказывать про зондовую микроскопию, её разновидности и тонкости. Без лапши!)
Я имею ввиду, если можно обойтись силами Ван-дер-Ваальса, то зачем на кантеливер подают напряжение? Есть работа по визуализации трапеции на АСМ различных производителей, она не узнаваема. На самом деле, что такое туннельный ток тоже не понятно. Уж больно большую энергию имеют электроны в этом токе.
Владимир Владимирович1Спасибо за ссылку.
Владимир Владимирович, 26 января 2010 07:31 
А приведите, пожалуйста, ссылку, где на кантилевер подают напряжение!
Сканирование в туннельных микроскопах осуществляется с минимизацией тока. (За воплощение такого прибора в жизнь и дали Нобелевскую премию!)

P.S.
Peressadko Andrey G., 26 января 2010 09:07 
@А чем это отличается от дисперсионных взаимодействий? @
Дисперсионные силы одна из составных частей сил Ван-Дер-Ваальса.
В википедии подробно расписаны компоненты сил Ван-Дер-Ваальса.

Возвращаясь к исходной статье.
Почему то борцы с эффектом Казимира не говорят каким образом они будут с ним бороться или использовать его. Вся заметка похожа на декларацию о намерениях.
А чем это отличается от дисперсионных взаимодействий?
В.В., Вы совершенно правы: эффект Казимира - это один из предельных случаев сил ВдВ (что описывается в рамках общей теории взаимодействия Лифшица). В формулу расчета сил ВдВ (прежде всего дисперсионного взаимодействия - для незаряженных поверхностей) входят комплексные диэлектрические проницаемости сред (дисперсии) во всем диапазоне частот (например, ур.3.6 из цитируемой вами работы Питаевского), а для сил Казимира - статическая диэлектрическая проницаемость на нулевых частотах (3.9).
А почему эффект Казимира наблюдается только для металлических пластин?
Не только. Просто для металлов взаимодействие сильнее, поскольку статические диэлектрические проницаемости высокие. Плюс, проводящие поверхности обычно не имеют статического заряда и эффект Казимира в притяжении превалирует. Вообще, макроскопическая теория сил ВдВ описывает любые конденсированные среды (не только диэлектрики). И силы ВдВ для двух металлических поверхностей тоже высокИ - их необходимо учитывать.
А для снижения не только эффекта Казимира, но и вообще сил ВдВ (дисперсионных), кроме дифракционных насечек можно попробовать использовать материалы с неперекрывающимися спектрами поглощения (электромагнитной диссипации), чтобы нивелировать возможный резонанс.
Вы правильно утверждаете, что в Казимире и Ван-дер-Ваальсе природа взаимодействия одна:электромагнитное поле.
Вот после такого задумываешься - за каким ... школьникам и студентам читают про нанотехнологии? Читаем Классиков (Ландау и Лившиц на все времена). Умнейшие люди разрабатывали, систематезировали, обобщали ... а мы тут раз! и нанопроблемы обнаружили!
Владимир Владимирович, 27 января 2010 07:30 
Вы правильно утверждаете, что в Казимире и Ван-дер-Ваальсе природа взаимодействия одна:электромагнитное поле.
И не нужно никаких реликтовых излучений и мудрствований квантовых вакуумов!
Владимир Владимирович, 27 января 2010 07:49 
В.В., Вы совершенно правы: эффект Казимира - это один из предельных случаев сил ВдВ (что описывается в рамках общей теории взаимодействия Лифшица).
Как-то оказался и не совсем, чтобы полностью.
Взглянул чуть поглубже - силы Казимира-Лифшица получаются более дальнодействующие, чем дисперсионные, хотя их обоих часто и рассматривают вместе как ВдВ.
Вот - очень интересная ссылка, она как раз про отталкивание и ведет речь!
(А то новость новости без ссылок - это получается как третья производная чая - по органолептическим ощущениям)
Сами экспериментальные данные меня не полностью убедили - хорошо бы если бы они померили кремнезем с кремнеземом и убедительно показали отсутствие зарядов (двойных слоев) на поверхностях. (Они ведь не сушили кремнезем в вакууме...) И еще, если-таки продавить слой бромобензола, должно же начаться притяжение поверхностей, или я что-то недопонимаю?

P.S. Александр Борисович, а можно, пожалуйста, ссылки про дифракционные насечки?
силы Казимира-Лифшица получаются более дальнодействующие, чем дисперсионные
Владимир Владимирович, а не наоборот? Апеллирую к той же статье Питаевского: для двух поверхностей силы ВдВ обратнопропорциональны кубу расстояния (ур.3.5-3.6), а казимира - четвертой степени (ур.3.8-3.9). Впрочем, это всё лишь частные случаи решения общего уравнения (если Вы ещё не стёрли ту книгу по адсорбции в djvu, посмотрите стр.23-25, там из ур.2.6 вытекают оба случая для незапаздывающих и запаздывающих сил, 2.11 и 2.12). Получаем "привычные" уравнения ВдВ и Казимира.
Кстати, все эти экспериментальные "открытия" Nature о левитации (Ваша вторая ссылка и эти комментарии) теоретически напрямую вытекают из уравнения 2.12, переложенного для двух различных полубесконечных сред со статическими диэлектрическими проницаемостями e1 и e3, разделённых третьей с e2 (если e1>e2>e3). Да и "чистый" ВдВ может давать отталкивание.

а можно, пожалуйста, ссылки про дифракционные насечки?
ой, это я просто так "повторил" смысл данной новости (которую и обсуждаем) - "пластина, на поверхности которой сформирована группа «дорожек» толщиной около 50 нм, которая работает как дифракционная решетка" Простите, ввёл в заблуждение
Владимир Владимирович, 27 января 2010 15:51 
Да, согласен!
Я совсем не так интерпретировал, исходя не из мудрых формул, а из того, что для объяснения эффекта Казимира, так как он оригинально предложен, нужно расстояние хотя бы несколько нм (retardation). (И не шибко разумно по осмыслению)
Про формулы согласен.
Книгу не стер, конечно!
Буду смотреть и разбираться по мере сил и времени
В Nature - предсказания Лифшица без сомнения.
А как чистый ВдВ может давать отталкивание? (Хотя поди разберись, что такое "чистый ВдВ" - я всегда просто полагал, что взаимодействия наведенных диполей в диэлектриках).
А как чистый ВдВ может давать отталкивание? (Хотя поди разберись, что такое "чистый ВдВ" - я всегда просто полагал, что взаимодействия наведенных диполей в диэлектриках).
Термин "чистый ВдВ" рождён непосредственно тут, в обсуждении :)
Базовая модель в классической работе Дзялошинского-Лифшица-Питаевского описывает все случаи межмолекулярного (нехимического) взаимодействия (в рамках теории возмущений). Не зависимо от материала среды, расстояний и температуры (дальше буду ссылаться на эту работу). Из модели следует, что силу взаимодействия тел определяет их диэлектрическая проницаемость, а точнее – функция (частотная зависимость, диссипация, дисперсия) комплексной диэлектрической проницаемости. Формула (4,13) сложна для конкретных расчетов, поэтому используют всевозможные допущения и приближения. Вклад того или иного частотного диапазона этой функции в силу взаимодействия ("существенная область частот") зависит от расстояния между телами. Чем расстояние больше - тем больше вклад длинноволнового компонента диэлектрической проницаемости, вплоть до статической, на нулевых частотах (это случай эффекта Казимира). Так что Ваше замечание насчет эффекта Казимира и больших расстояний определённым образом справедливо, поскольку это - предельный случай, который как раз касается запаздывающих сил. Только дальнодействие у него меньше (причина в степени расстояния, уже говорили) – ф.4,20, из этой же формулы видны условия отталкивания.
На малых расстояниях возникает то, что мы тут обозвали "чистый ВдВ" – ф.4,18. Дальше, чтобы опять не перековеркивать чужой замечательный текст своими словами, процитирую (а лучше прочитайте стр.407, первый абзац сверху): "если оба тела различны, а пространство между ними заполнено жидкостью, то сила взаимодействия может быть как притяжением, так и отталкиванием. Так, из (4,18) видно, что если в существенной области частот разности e10-e30 и e20-e30 имеют разные знаки, то будет F<0, т. е. на "малых" расстояниях тела отталкиваются. На "больших" же расстояниях характер силы определяется относительной величиной электростатических значений диэлектрической постоянной; при одинаковых знаках разностей e10-e30 и e20-e30 имеем F>0, а при разных F<0…" и далее по тексту
Владимир Владимирович, 28 января 2010 00:47 
Спасибо!
Все исключительно разумно!
Буду читать оригинал (и книгу смотреть) - а то лишь смотрел кусочками да по вторичным ссылкам
Журавлёв Борис Георгиевич, 01 февраля 2010 23:44 
Скажите, господа теоретики, думал ли кто-нибудь вообще (кроме физика и историка Церкви Льва Регельсона - lregelson@gmail.com ) о возможностях проявления эффекта Казимира в биологических системах?
Буду рад завязать обсуждение на эту тему с нанотехнологами, цитологами и биоэнергетиками, ещё не потерявшими вкус к науке и способными мыслить нетривиально. Пишите по inrir@inbopx.ru -
Спасибо за разъяснения господа! Ясно одно, что независимо от того подается ли напряжение на зонд или он крепиться к кантилеверу, с помощью сканирующих микроскопов мы измеряем силу взаимодействия в зависимости от расстояния кончика зонда до ?, причем эту зависимость описать математически не удается даже с точностью до знака. Управление перемещением зонда относительно сканируемой поверхности осуществляется с помощью простенького ПИД- регулятора, который вообще то предназначен для управления линейными системами. Так что же мы видим в сканирующий микроскоп? Наверное я безнадежно туп.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Цветок гексаферрита стронция
Цветок гексаферрита стронция

Приглашение на вебинар «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»
НТ-МДТ Спектрум Инструментс приглашает Вас принять участие в бесплатном вебинаре «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии,
Уважаемые коллеги! Приглашаем вас принять участие в работе XXI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, который состоится с 9 по 13 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге и станет одним из основных мероприятий Международного года Периодической таблицы химических элементов, провозглашённого ООН в декабре 2017 г.
Проводится под эгидой Международного союза по теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Микроэлементарно, Ватсон: как микроэлементы действуют на организм
Алексей Тиньков
Как на нас воздействуют кадмий, ртуть, цинк, медь и другие элементы таблицы Менделеева рассказал сотрудник кафедры медицинской элементологии РУДН Алексей Тиньков в интервью Indicator.Ru

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.