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Ingenieure stellen ersten Casimir-Chip vor, der die Vakuumenergie nutzt
Einer der seltsamsten Effekte, die aus der Quantennatur des Universums hervorgehen, ist die Casimir-Kraft. Dadurch werden zwei parallele leitende Platten zusammengeschoben, die nur wenige Dutzend Nanometer voneinander entfernt sind.
Bei diesen Maßstäben kann die Casimir-Truppe dominieren und Ingenieure sind sich ihrer unerwünschten Auswirkungen bewusst. Ein Grund, warum mikroelektromechanische Maschinen ihr ursprüngliches Versprechen nie erreicht haben, ist die Haftreibung, die Casimir-Kräfte erzeugen können.
Auf der anderen Seite hoffen viele Ingenieure, die Casimir-Streitkräfte auszunutzen. Verschiedene theoretische Modelle sagen voraus, dass die Kraft zwischen Objekten bestimmter Formen abstoßend sein sollte, ein Phänomen, das Haftreibung verhindern könnte.
Aber es gibt ein Problem: Casimir-Kraftexperimente sind extrem schwer durchzuführen. Ein Kopfzerbrechen besteht darin, dass niemand die Technologie perfektioniert hat, um verschiedene Objekte mit einer Lücke im Nanometerbereich genau zu positionieren. Eine andere ist, dass mikroskopische Objekte dazu neigen, sich zu verziehen und zu biegen; Alle Wellen auf einer ebenen Oberfläche können die Stärke der Casimir-Kraft zwischen ihnen und sogar ihre Richtung dramatisch ändern. Das macht experimentelle Ergebnisse schwer zu interpretieren.
Heute machen Jie Zou von der University of Florida und ein paar Kumpels einen großen Schritt, um dies zu ändern. Diese Jungs haben ein einziges Gerät aus Silizium geschnitzt, das in der Lage ist, die Casimir-Kraft zwischen zwei parallelen Siliziumstrahlen zu messen, das erste Gerät auf dem Chip, das dies kann.
Das Gerät besteht aus einem festen Träger und einem anderen beweglichen Träger, der an einem elektromechanischen Aktuator befestigt ist. Das Team beginnt damit, den Abstand zwischen ihnen mit einem Rasterelektronenmikroskop zu messen. Sie legen dann eine Spannung an den Aktuator an, der den beweglichen Balken in Richtung des festen Balkens drückt.
Die Strahlen schwingen mit einer Eigenfrequenz, die Zou und Co. leicht messen können. Diese Frequenz hängt jedoch von den Kräften auf die Balken ab. Wenn sich die Balken näher zusammenrücken und sich die Casimir-Kräfte ändern, ändert sich auch die Schwingungsfrequenz. So messen Zou und Co die Kraft.
Hier wirken natürlich auch andere Kräfte, wie zum Beispiel elektrostatische Restkräfte. Wenn Zou und Co. diese berücksichtigen, entsprechen ihre Ergebnisse mehr oder weniger genau den theoretischen Vorhersagen für die Casimir-Kraft, die Balken dieser Form erzeugen sollten.
Das Gerät löst eine Reihe von Problemen. Erstens sind unerwünschte Verzerrungen kein signifikantes Problem, da beide Siliziumstrahlen in demselben lithographischen Schritt hergestellt werden. Und auch die Positionierung ist einfacher zu kontrollieren, da die Balken und der Aktuator alle Teil desselben Geräts sind und daher viel weniger Kalibrierung und Ausrichtung erfordern. Schließlich gibt es noch die Messungen selbst, die auf einem einzigen Chip einfacher durchzuführen sind als in früheren Experimenten.
All dies summiert sich zu einem bedeutenden Fortschritt. Was diese Jungs gebaut haben, ist die erste On-Chip-Maschine, die die Casimir-Kraft ausnutzt, die durch eine bestimmte geometrische Konfiguration erzeugt wird.
Das große Versprechen von all dem ist, dass auch andere Formen hergestellt werden können. Dieses Schema eröffnet die Möglichkeit, die Casimir-Kraft unter Verwendung von lithographisch definierten Komponenten nicht-konventioneller Formen zuzuschneiden, sagen Zou und Co.
Anstatt also durch unkontrollierbare Casimir-Kräfte behindert zu werden, sollte die nächste Generation mikroelektromechanischer Geräte in der Lage sein, diese auszunutzen, um vielleicht reibungsfreie Lager, Federn und sogar Aktuatoren herzustellen.
Spannende Zeiten für Mikro- und Nanomaschinen.
Ref: arxiv.org/abs/1207.6163 : Geometrieabhängige Casimir-Kräfte auf einem Siliziumchip