Эффект Казимира между неровными поверхностями потребовал создания новой модели

Если вы остановите прохожего и спросите его, что он думает о взаимодействии двух нейтральных зеркальных пластин в вакууме, разделённых долями микрометра, то он непременно заявит, что взаимодействие между ними меньше, чем между пассажирами двух встречных поездов. Мол, нет даже шанса открыть окно и бросить что-нибудь в ближнего. Увы, он ошибается.

Учёные, пытающиеся создавать наномеханизмы, знают, что всё совсем не так оптимистично. Между такими зеркальными плоскостями возникает эффект Казимира, то есть взаимное притяжение. Причины его формально просты: зеркальные поверхности подавляют постоянное рождение части виртуальных фотонов между пластинами (а в вакууме это происходит постоянно). В то же время сверху и снизу от этой пары рождению виртуальных фотонов ничто не мешает. Следовательно, давление фотонов на пластинки сверху и снизу оказывается больше, чем давление других виртуальных фотонов изнутри, отчего и возникает притяжение.

Сила такого рода при обычных расстояниях между пластинами пренебрежимо мала. Но поскольку она растёт обратно пропорционально четвертой степени от расстояния между объектами, на наномасштабах с ней сладить непросто: при зазорах в 10 и 1 нм она различается в 10 000 раз.

Чтобы научиться строить наноразмерные части микроэлектромеханических систем (да и многие виды квантовых компьютеров), эту силу надо уметь обуздывать. То есть для начала её следует хотя бы изучить.

Вверху: металлическая пластинка с наногребнями. Чуть ниже: золотая наносфера. Внизу: нанорельеф пластинки, находившейся сверху. Сила притяжения между ними по мере увеличения расстояния падала быстрее, чем предсказывала теория. (Иллюстрация D. Lopez / Argonne.)

И это совсем уж нетривиальная задача. Группа учёных во главе с Владимиром Аксюком из Национального института стандартов и технологий (США) попыталась подобрать метод снижения эффекта Казимира при помощи создания неровных поверхностей.

Идея была проста: в случае нанесения наногребней или сферической формы одной из двух поверхностей площадь максимально близких частей всегда будет составлять лишь малую долю от площади обеих пластин вообще. Из чего следует, что эффект Казимира будет значительно слабее, чем если бы использовались плоские предметы.

Как замечает Владимир Аксюк, хотя текущая теория, описывающая эффект Казимира, неплохо работает с плоскими поверхностями, с неровными у неё проблемы. Во всяком случае наблюдавшееся в эксперименте взаимодействие ей предсказать не удалось.

«В нашем опыте измерялся эффект Казимира между золотой сферой и плоской золотой же поверхностью, покрытой рядами периодически повторяющихся гребней с плоскими вершинами, каждый менее 100 нм в ширину, разделённых более широкими разрывами с отвесными стенками, — рассказывает учёный. — Мы хотели увидеть, как наноструктурирование металлических поверхностей повлияет на казимировы взаимодействия... Ожидалось, что притяжение между неровными плоскостями и сферой будет уменьшаться вне зависимости от расстояний, на которых замеряется эффект Казимира...»

Однако, как и подозревали физики, «что-то пошло не так»: при увеличении расстояния между сферой и исчерченной гребнями плоскостью сила взаимного притяжения падала куда быстрее, чем ожидалось. Так, при разделении поверхностей разрыв между предсказанным и замеренным значениями эффекта Казимира был двукратным. А когда сферу и плоскость вновь сдвинули, притяжение на единицу площади наногребней оказалось более значительным, чем было на чуть большем расстоянии. С последним теория ещё в состоянии справиться, но вот слишком быстрое падение силы притяжения между пластинами требует корректировок в расчётных методах.

«Это новая территория, и физическое сообщество нуждается в свежей модели для её описания», — полагает г-н Аксюк.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.

Подготовлено по материалам Национального института стандартов и технологий.