9 января 2009 г.

Смазка против эффекта Казимира


В свежем выпуске Nature появилась статья про измерение эффекта Казимира в таком режиме, когда он приводит не к притяжению, а к отталкиванию. Причем на обложку журнала была вынесена картинка про эту работу в сопровождении слов "квантовая левитация". Наверняка за них ухватятся журналисты, пообещав читателю новые блестящие перспективы нанотехнологий (вот и первая ласточка), а то и чего похуже.

Между тем, на мой взгляд, шумиха вокруг этой работы явно излишняя. Ее результат вовсе никакой не неожиданный, как утверждается в заметке по ссылке, да и вряд ли эта работа приведет к каким-то прорывным достижениям в микромеханике.

Обычный эффект Казимира -- это притяжение между двумя незаряжеными телами. Обычно говорится, что это проявление квантовых флуктуаций электромагнитного поля, которые всегда существуют в вакууме, но на самом деле эффект можно сформулировать и без квантовых флуктуаций (это ван-дер-ваальсовы силы в режиме, когда нельзя пренебрегать эффектами запаздывания взаимодействия).

Так или иначе, силы за счет этого эффекта до сих пор всегда приводили к притяжению, как в теорических расчетах в разной геометрии, так и во всех экспериментах. Есть большое подозрение, что это вообще универсальный результат, хотя строгого доказательства для тел произвольной формы, по-моему, еще не получено (см. впрочем заметки Эффект Казимира не может приводить к расталкиванию симметричных тел и Обнаружена ошибка в расчетах эффекта Казимира для микромеханических устройств).

Вообще, сила Казимира слабая, и проявляется она на расстояниях не более сотен нанометров. Однако она очень беспокоит конструкторов микромашин -- ведь она будет служить этаким "универсальным клеем", склеивающим отдельные части устройств субмикронного размера (см. заметку Микромеханика перед лицом серьезных трудностей).

Однако еще полвека назад Е.М. Лифшиц предсказал, что силу Казимира можно сделать отталкивательной, если два тела разделены не вакуумом, а жидкостью со специально подобранным показателем преломеления. Более конкретно, если два тела сделаны из материалов с диэлектрической проницаемостью ε1 и ε2, а разделяющая их жидкость имеет диэлектрическую проницаемости ε3, то направление силы будет зависеть от знака 13)(ε23). Если эта величина положительна -- будет притяжение, если отрицательна (например, при ε1 > ε3 > ε2) -- будет отталкивание.

В новой статье эту силу впервые измерили экспериментально. Да, в пределах погрешностей всё сошлось с теорией. Очень хорошо, эффект проверен. Но решает ли он проблемы микромеханических устройств? Вряд ли. Ведь удерживать от слипания требуется обычно движущиеся детали микромашин, и движутся они в вакууме или газе. А тут предлагается внутрь микромотора залить жидкость, этакую "смазку против эффекта Казимира". Статическое трение убрали, динамическое -- добавили, ведь на субмикронных масштабах сила вязкости будет очень мешать движению механизма!

Можно конечно придумать устройства, где важно устранить именно статическое трение, а не вязкость. Но зачем тогда огород городить? Если у нас и так есть жидкость в распоряжении, всегда можно обойтись и без эффекта Казимира, например, сделать поверхности сильно смачиваемыми, так чтоб между ними всегда был слой жидкости, т.е. обычная смазка. Да и вообще, если зазор между телами невелик, то в действие вступают обычные ван-дер-ваальсовые силы, а отталкивательные ван-дер-ваальсовые силы тоже уже были получены. По сути, новшество этой работы состоит в доказательстве того, что отталкивание сохраняетися и при больших расстояниях, где сказывается эффект запаздывания взакимодействий.

Update: По наводке Юрия Ерина, вот страница публикаций этой группы, а вот -- прямая ссылка на pdf статьи в Nature. Кстати, в статье Physical Review A 75, 060102(R) (2007), которая есть в списке публикаций, приведена чуть более подробная история вопроса, чем в статье в Nature.

А вот и популярная заметка от Юрия Ерина: Впервые измерена сила отталкивания в эффекте Казимира–Лифшица.

10 комментариев:

  1. Что-то слышал про материалы с отрицательным показателем преломления. Мне понять что это такое сложно, но как будет с силой Каземира, если одно тело простое, а другое "отрицательное"? Так чтобы в вакууме или газе и без трения. Может, не всё так плохо?

    ОтветитьУдалить
  2. Анонимный10/1/09 00:52

    Первый раз слышу про эффект Казимира. Спасибо, интересный обзор.

    ОтветитьУдалить
  3. to PavelS: честно говоря, не знаю, вопрос интересный. Зато вот есть такая работа: Quantum levitation by left-handed metamaterials, в которой рассматривается два проводника, разделенных средой с отрицательными проницаемостями, и в такой ситуации у авторов тоже получается отталкивание.

    Правда, экспериментально это проверить в бдижайшее время не удастся, т.к. те материалы с отрицательным коэф.преломления, которые сейчас уже создали, являются таковыми только при частотах не выше красного света. А в эффект Казимира вносят основной вклад флуктуации с длиной волны порядка расстояния между телами, а это далеко УФ область. Но может быть, скоро прогресс с метаматериалами позволиь залезть и в эту область.

    ОтветитьУдалить
  4. Анонимный21/1/09 21:14

    VladimirB
    А если части наномеханизма покрыть тонким слоем диэлектрика, так что-бы диэлектрик занимал только часть расстояния между деталями, а часть расстояния оставалась бы вакуумом. Не будет ли такой "пирог" из вакуума и диэлектрика работать как диэлектрик с проницаемостью, равную средней проницаемости между диэлектриком и вакуумом? То есть можно ли подобрать так толщину покрытия диэлектриком, что бы работал эффект Казимира на отталкивание?

    ОтветитьУдалить
  5. Если диэлектрик механически сцеплен с деталью, то ничего не изменится -- на деталь вместе со слоем диэлектрика, которые отделены от второй детали прослойкой вакуума, будет действовать притяжение. А какие там будут внутренние напряжения между деталью и сидящем на ней диэлектрическим слоем -- не важно.

    ОтветитьУдалить
  6. Анонимный22/1/09 00:52

    VladimirB
    Спасибо за ответ. Но я не совсем понял, почему детали будут притягиваться. Вот здесь я поместил рисунок:
    http://www.ii4.ru/viewer.php?id=674075Kazimir.PNG
    На рис.1 такая ситуация, как описана в заметке, и на красное тело действует сила отталкивания F, которая на рисунке направлена вверх. Теперь рассмотрим рис.2. Там всё такое-же, только вместо диэлектрика, который имеет проницаемость ε3, тонкая пластинка диэлектрика со значительно большей проницаемостью и вакуум. Эквивалентная диэлектрическая проницаемость этого диэлектрика вместе с вакуумом равна той же величине ε3. Пластинка диэлектрика присоединена к нижней, синей детале. Почему в таком случае должна поменятся сила F, приложеная к красной детале, если эквивалентная диэлектрическая проницаемость промежутка на рис.2 осталась такой же, как была на рис.1?

    ОтветитьУдалить
  7. А я так и не понял после публикации на Элементах, есть ли эффект Казимира или нет. Если силы межмолекулярного взаимодействия так же объясняют этот эффект, то будет ли он сохраняться между пластинами из материала с нулевым дипольным моментом? А если будет, то будет ли этот эффект добавляться к межмолекулярному взаимодействию при ненулевом дипольном моменте?

    ОтветитьУдалить
  8. to VladimirB:
    тут два замечания.

    Первое -- Рис.1 неправильно отражает реальную ситуацию. Среда -- это не прослойка определенной толщины, это имено среда, которая обволакивает тела, так что когда они пытаются отодвинуться, пространство между ними дозаполняется этой средой. Это не мелочь -- это кардинально меняет краевые эффекты, а они для эффекта Казимира очень важны.

    Второе -- на Рис.2 надо еще сосчитать силу притяжения, с которой сама прослойка воздействует на красный кирпич. При достаточно толстой прослойке эта сила пересилит отталкивание.

    ОтветитьУдалить
  9. to dynamite-dan: да есть эффект, есть. Только проблем микромеханических устройств он, по моему мнению, не решит.

    Я не понял, про какой дипольный момент Вы говорите.

    ОтветитьУдалить
  10. Для корректного обсуждение пленок и прослойки рекомендую главу 10 книги: Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности 2008 г.

    ОтветитьУдалить