«Квантовая левитация» поможет наноэлектромеханическим устройствам

Физики из Швеции, Норвегии и Австралии выяснили, как наноэлектромеханические устройства могут противостоять нежелательному эффекту слипания их компонентов, вызванному действием сил Казимира — Лифшица.

Обычно возникновение этих сил связывают с квантовыми флуктуациями электромагнитного поля в вакууме — не абсолютной пустоте, а «океане» постоянно рождающихся и исчезающих виртуальных частиц, в число которых входят и фотоны. Если рассмотреть, к примеру, две проводящие незаряженные параллельные пластины, расположенные рядом, то в зазоре между ними рождение виртуальных фотонов будет ограничиваться.

В результате внешнее давление, создаваемое фотонами, превысит давление в зазоре, и пластины, как показал голландский теоретик Хендрик Казимир, начнут притягиваться.

Известна и другая формулировка, в которой сила, заставляющая пластины сближаться, выводится без привлечения квантовых флуктуаций и считается аналогом давно известного ван-дер-ваальсова взаимодействия. Согласно этому определению, силы Казимира — Лифшица действуют на тех расстояниях, где эффекты запаздывания электромагнитного взаимодействия становятся существенными.

Если же расстояние между телами невелико (~10 нм), а эффекты запаздывания роли не играют, специалисты говорят о силах Ван-дер-Ваальса.



Модельная несимметричная система для изучения взаимодействия Казимира — Лифшица (иллюстрация из журнала Applied Physics Letters).

До сих пор мы обсуждали только притягивающие силы, но это не значит, что их нельзя сделать отталкивательными. Возможность такого превращения доказал советский учёный Евгений Лифшиц, который рассмотрел не конкретный пример металлических тел и разделяющего их вакуума, а более общий случай объектов и среды с произвольными значениями диэлектрической проницаемости ε1, ε2 и ε3. При корректном подборе параметров (скажем, ε1 > ε3 > ε2) вычисляемая сила Казимира — Лифшица становится отталкивательной, что и было подтверждено в недавних экспериментах.

Авторы ещё усложнили задачу, сделав исследуемую систему несимметричной: в их модели на один из взаимодействующих объектов — пластин из диоксида кремния — наносилось тончайшее (5–50 Å) золотое покрытие. В пространстве между пластинами находилась жидкость (бромбензол или толуол).

Как оказалось, после добавления покрытия сила Казимира — Лифшица приобретает очень интересную зависимость от расстояния между диэлектрическими пластинами. На относительно больших интервалах взаимодействие имеет отталкивательный характер, причём сила отталкивания увеличивается по мере сближения пластин и со временем достигает максимума, значение которого возрастает при уменьшении толщины золотой плёнки.

При дальнейшем сближении взаимодействие ослабляется, а на какой-то критической дистанции, также определяемой толщиной металлического покрытия, и вовсе пропадает. Когда зазор делают ещё более узким, сила становится притягивающей.

Возможность «регулировки» силы и наблюдения эффекта левитации объектов в жидкости должна заинтересовать разработчиков микро- и наноэлектромеханических устройств, для миниатюрных элементов которых притягивающее взаимодействие Казимира — Лифшица особо опасно. Именно поэтому в своих будущих расчётах физики планируют смоделировать взаимодействия других материалов (оксида цинка, оксида гафния), часто используемых в микроэлектрических и микрооптических системах.

Полный вариант отчёта опубликован в журнале Applied Physics Letters.

Источник