Una nuova svolta nel vuoto quantistico

Un sottile effetto macroscopico nello spazio tra due piastre birifrangenti produce una coppia misurabile di Casimir. Uno di solito immagina il vuoto come spazio vuoto privo di qualsiasi materia. Questa immagine non è abbastanza precisa quando si tiene conto della meccanica quantistica. Il vuoto si rivela un’illusione: il vero vuoto è pieno di attività sotto forma di fluttuazioni quantistiche, a volte pensate come particelle virtuali che appaiono e scompaiono così rapidamente da non violare il principio di incertezza di Heisenberg. In questo studio rapido, discuteremo come le fluttuazioni elettromagnetiche possono provocare forze e persino coppie tra oggetti macroscopici senza la necessità di altre interazioni. In effetti, la meccanica quantistica del vuoto può rivelarsi uno strumento entusiasmante per la progettazione di dispositivi su ​​nanoscala.

Alla fine degli anni ’40, mentre lavorava al Philips Laboratory Eindhoven nei Paesi Bassi, il fisico olandese Hendrik Casimir sviluppò una teoria per descrivere le forze di interazione osservate nelle sospensioni colloidali. Incuriosito dalla nozione di fluttuazioni quantistiche dei campi elettromagnetici e dalle conversazioni con Niels Bohr, Casimir considerò cosa sarebbe successo in uno scenario diverso che coinvolgeva due piastre metalliche parallele, non caricate.
Nel vuoto classico, non succede nulla. Ma in un vuoto quantico, si rese conto, che la presenza di piastre ravvicinate – essenzialmente una cavità ottica – avrebbe influenzato i campi fluttuanti. Più specificamente, le piastre conduttive costringono i campi elettrici e magnetici ad andare a zero ai confini e tra le piastre può esistere solo un sottoinsieme delle fluttuazioni; le lunghezze d’onda maggiori sono escluse semplicemente perché non si adattano.
Le piastre riducono efficacemente la densità di energia, spesso chiamata energia del punto zero, associata a tali fluttuazioni quantiche. Più vicine sono le piastre, minore è l’energia del punto zero. Poiché alla natura piace minimizzare l’energia di un sistema, le due piastre dovrebbero essere attratte l’una dall’altra, un’interazione definita effetto Casimir.
Entro 10 anni dalla previsione di Casimir, un esperimento del fisico olandese Marcus Sparnaay confermò l’esistenza della forza di Casimir tra due piastre parallele. Nelle stesse parole di Sparnaay, gli esperimenti “non contraddicono la previsione teorica di Casimir”. Quell’umile fraseggio rifletteva la difficoltà di misurare forze così piccole mantenendo parallele le piastre e in genere vicine sotto un micron e rimuovendo interazioni elettrostatiche e altri artefatti.
Nello stesso periodo, nel 1956, il chimico russo Boris Derjaguin si rese conto che la sostituzione di una delle piastre con una sfera avrebbe semplificato la misurazione: i ricercatori non avrebbero più dovuto preoccuparsi di mantenere parallele le piastre. Sebbene la geometria della sfera-piastra abbia migliorato il rilevamento, solo negli anni ’90 le moderne tecniche di misurazione hanno inaugurato una nuova ondata di esperimenti di forza di Casimir.
La teoria di Casimir descrive la forza tra le piastre di metallo. Ma cosa succede quando le piastre non sono conduttori perfetti? I teorici Igor Dzyaloshinskii, Evgeny Lifshitz e Lev Pitaevskii hanno risposto a questa domanda nel 1961 quando hanno generalizzato il risultato di Casimir al caso in cui le piastre sono descritte da funzioni dielettriche isotrope arbitrarie. Oggi la loro teoria viene utilizzata nei confronti degli esperimenti; le proprietà ottiche dei metalli reali utilizzati negli esperimenti sono incorporate come variabili nella teoria.
Negli anni ’70 venne presa in considerazione una nuova configurazione: cosa accadrebbe se le proprietà ottiche delle piastre fossero anisotrope, ad esempio quando si usano cristalli birifrangenti come la calcite? In tal caso, l’energia libera totale del sistema dipende non solo dalla separazione tra le due piastre parallele, ma anche dall’angolo θ  che definisce il loro orientamento relativo. Il sistema dovrebbe presentare una coppia che fa ruotare le piastre in una posizione di minima energia, una coppia Casimir.
Viene raggiunta l’energia minima quando si allineano gli assi ottici con l’indice di rifrazione più elevato. La teoria di quell’idea è stata elaborata da Adrian Parsegian e George Weiss e indipendentemente da Yuri Barash. Per relativamente piccole separazioni, generalmente inferiore a qualche decina di nanometri, hanno trovato che la coppia ha un sin 2θ  dipendenza ed è inversamente proporzionale al quadrato separazione.
Come per la forza Casimir, numerosi problemi tecnici complicano la misurazione della coppia Casimir. Due piastre di area relativamente ampia devono essere mantenute parallele e alle separazioni dei submicroni. Una piastra deve inoltre ruotare liberamente rispetto all’altra e tale rotazione deve essere rilevabile al di sopra del rumore di fondo e degli artefatti. Un modo per eseguire un simile esperimento è quello di sospendere una piastra birifrangente sopra un’altra usando un’asta di torsione.
La torsione dell’asta indotta dalla coppia Casimir potrebbe essere misurata otticamente o elettronicamente per determinare l’angolo di rotazione. Ma parallelismo, rimozione della polvere e imperfezioni della superficie risultano difficili da controllare in quella configurazione. Un’altra possibilità è quella di eseguire esperimenti in cui una piastra viene levitata sopra un’altra o usando una pinzetta ottica nel vuoto o usando forze elettrostatiche o di dispersione in un fluido. Sfortunatamente, queste configurazioni soffrono di molti degli stessi problemi degli esperimenti che coinvolgono le barre di torsione.
Per aggirare questi problemi, è stato sviluppato un esperimento alternativo che ha consentito la prima misurazione quantitativa della coppia Casimir. Il trucco era sostituire una delle piastre birifrangenti con un cristallo liquido, come mostrato nella figura. I cristalli liquidi contengono molecole birifrangenti che possono avere un ordine locale ea lungo raggio. Si comportano come cristalli solidi birifrangenti, ma possono anche bagnare un’altra superficie e ruotare a livello molecolare.
effetto casmir
Immaginare la svolta dal vuoto. (a) Quando due lastre otticamente anisotrope formano una cavità ottica a spaziatura stretta, l’energia associata alle fluttuazioni quantistiche tra loro dipende dal loro orientamento. Per ridurre al minimo l’energia libera del sistema, la coppia Casimir ruota una piastra rispetto all’altra fino a quando i loro assi ottici non si allineano. (b) Questa configurazione illustra il recente esperimento del mio gruppo per misurare la coppia Casimir tra un cristallo liquido e un cristallo birifrangente solido. Un sottile strato isotropo di materiale separa i cristalli da una distanza variabile d. Le aste gialle illustrano la misura in cui il campione di cristalli liquidi ruota dall’alto verso il basso; le frecce verdi e rosse mostrano la direzione media del liquido ai due punti finali. La freccia grigio scuro nel cristallo birifrangente raffigura l’asse ottico del cristallo. (c) La luce polarizzata brillante attraverso i cristalli liquidi e solidi offre un modo per rivelare la coppia Casimir. Viene preparato un campione con tre spessori di strato distanziatore che separano il cristallo liquido dal solido cristallo birifrangente. Vista tra i polarizzatori incrociati, la luminosità dell’immagine è proporzionale alla forza della coppia. Uno strato di spaziatura più sottile d produce una coppia più forte e quindi un’immagine più luminosa.
Per questo esperimento, è stato usato un solido cristallo birifrangente sul quale abbiamo depositato uno strato sottile di ossido di alluminio – meno di 30 nm – otticamente isotropico. Quello strato separa il cristallo solido dal cristallo liquido, proprio come lo spazio vuoto negli esperimenti di forza di Casimir. Una volta che il cristallo liquido è posizionato sopra l’ossido di alluminio, bagna la superficie per formare una pila a tre strati: un cristallo birifrangente solido, ossido di alluminio e cristallo liquido. Lo spessore dello strato distanziatore determina la distanza tra i cristalli solidi e liquidi e può essere variato creando più campioni. La coppia Casimir ruota quindi il cristallo liquido in modo che il suo asse ottico si allinei con quello del cristallo solido. Abbiamo rilevato la rotazione misurando la rotazione di polarizzazione di un raggio di luce incidente utilizzando un microscopio ottico.
L’esperimento, pubblicato nel 2018, ha confermato molte delle previsioni fatte da Parsegian, Weiss e Barash. Ha dimostrato che la coppia decade con una dipendenza legge di potenza sulla separazione e ha un sin 2 θ funzione dell’angolo. Le proprietà ottiche del substrato cristallino e del cristallo liquido influenzano l’entità della coppia e il suo segno (rotazione oraria o antioraria). Il mio laboratorio ha misurato densità di coppia di pochi nanonewton metri per metro quadrato su superfici separate da decine di nanometri.
Al di là della conferma di un effetto quantistico previsto decenni fa, la misurazione della coppia Casimir pone le basi per la progettazione di fluttuazioni del vuoto per modificare il funzionamento dei dispositivi in ​​nanoscala e microscala. Nel mondo dei sistemi microelettromeccanici (MEMS), si ritiene che la forza Casimir e la relativa forza di van der Waals abbiano un effetto importante sui fenomeni di adesione superficiale che causano la rottura dei dispositivi. Ridurre, eliminare o persino invertire la forza di Casimir tra i dispositivi MEMS potrebbe migliorare il problema.
Invece di essere ostacoli, la forza e la coppia Casimir possono forse dare origine ad accelerometri e sensori di torsione più sensibili. Inoltre, il fatto che la coppia Casimir possa influenzare i cristalli liquidi – un punto fermo delle moderne tecnologie di visualizzazione – suggerisce che anche le applicazioni a cristalli liquidi potrebbero essere all’orizzonte. Tra le possibilità vi è la commutazione a potenza ultraleggera che richiede semplicemente una minima tensione per interrompere l’allineamento del cristallo liquido e consentire alla luce di passare o essere assorbita quando il cristallo viene posizionato tra i polarizzatori incrociati.
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