Iets uit het niets halen klinkt als een goede deal, dus hebben wetenschappers jarenlang geprobeerd de kleine hoeveelheid energie te benutten die ontstaat wanneer objecten heel dicht bij elkaar worden gebracht. Het is een energiebron die zo obscuur is dat het ooit werd bespot als een fantasierijke bron van 'perpetuum mobile'. Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam met wetenschappers van Princeton heeft een manier gevonden om gebruik te maken van een mysterieuze kracht van afstoting, dat is een aspect van die kracht.

Deze energie, zeven decennia geleden voorspeld door de Nederlandse wetenschapper Hendrik Casimir, komt voort uit kwantumeffecten en kan experimenteel worden waargenomen door twee tegenover elkaar liggende platen heel dicht bij elkaar in een vacuüm te plaatsen. Dichtbij, de platen stoten elkaar af, die nuttig kunnen zijn voor bepaalde technologieën. Tot voor kort, echter, het leek onmogelijk om deze "Casimir-kracht" te gebruiken om iets nuttigs te doen.

Een nieuwe siliciumchip gebouwd door onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology en Princeton University is een stap in de richting van het benutten van de Casimir-kracht. Met behulp van een slimme assemblage van microngrote vormen die in de platen zijn geëtst, de onderzoekers toonden aan dat de platen afstoten als ze dicht bij elkaar worden gebracht. Door dit apparaat volledig uit een enkele siliciumchip te bouwen, zou de weg kunnen worden geopend om de Casimir-kracht te gebruiken voor praktische toepassingen, zoals het voorkomen dat kleine machineonderdelen aan elkaar blijven kleven. Het werk werd gepubliceerd in het februarinummer van het tijdschrift Natuurfotonica .

Energie van een vacuüm

"Dit is een van de eerste experimentele verificaties van het Casimir-effect op een siliciumchip, " zei Alejandro Rodriguez, een assistent-professor elektrotechniek aan de Princeton University, die theoretische berekeningen voor het apparaat leverde, die werd gebouwd door een team onder leiding van Ho Bun Chan aan de Hong Kong University of Science and Technology. "En het stelt je ook in staat om krachten te meten in zeer niet-triviale structuren zoals deze die afstoting veroorzaken. Het is een dubbele klap."

De siliciumstructuur ziet eruit als twee platen met tanden die tegenover elkaar staan ​​over een kleine opening van slechts ongeveer 100 nanometer breed. (Een mensenhaar is 60, 000-80, 000 nanometer breed.) Naarmate de twee platen dichter bij elkaar worden geduwd, de Casimir-kracht komt in het spel en duwt ze uit elkaar.

Dit weerzinwekkende effect vindt plaats zonder enige inbreng van energie en naar alle schijn, in een vacuüm. Deze kenmerken leidden ertoe dat deze energie "nulpuntenergie" werd genoemd. Ze voedden ook eerdere beweringen dat de Casimir-kracht niet kon bestaan ​​omdat het bestaan ​​ervan een soort van eeuwigdurende beweging zou impliceren, wat volgens de wetten van de fysica onmogelijk zou zijn.

De kracht, waarvan sindsdien experimenteel is bevestigd dat het bestaat, komt voort uit de normale kwantumfluctuaties van de weinige atomen die in de kloof blijven bestaan, ondanks de evacuatie van alle lucht.

Het team toonde aan dat het mogelijk is om een ​​apparaat in silicium te bouwen om de Casimir-kracht te beheersen.

"Ons artikel laat zien dat het mogelijk is om de Casimir-kracht te beheersen met behulp van structuren van complexe, op maat gemaakte vormen, " zei Ho Bun Chan, senior auteur op het papier en een wetenschapper aan de Hong Kong University of Science and Technology. Zijn team putte uit eerder werk van Rodriguez dat in 2008 werd gepubliceerd en dat vormen voorstelde die naar verwachting een Casimir-kracht zouden opleveren die zowel kon aantrekken als afstoten. "Dit document is de experimentele realisatie met behulp van een structuur geïnspireerd op het ontwerp van Rodriguez, ' zei Chan.

Rodriguez en zijn team in Princeton ontwikkelden technieken waarmee de onderzoekers interacties tussen twee parallelle platen konden berekenen wanneer ze elkaar naderen. Met deze hulpmiddelen ze konden toen onderzoeken wat er zou gebeuren als er meer complexe geometrieën zouden worden gebruikt. Dit leidde tot enkele van de eerste voorspellingen van een weerzinwekkende Casimir-kracht in 2008.

De Rodriguez-groep gebruikte nanofotonische technieken, waarbij werd gemeten hoe licht zou interageren met de structuren, om de complexe vergelijkingen te krijgen van hoe de kracht ontstaat door de interactie van twee platen.

Het siliciumapparaat bevatte een kleine mechanische veer die de onderzoekers gebruikten om de kracht tussen de twee platen te meten, en om te verifiëren dat de kwantumkracht afstotend kan zijn. De ruwweg T-vormige siliciumtanden zorgen ervoor dat de afstotende kracht kan worden gevormd. De afstoting komt van hoe verschillende delen van het oppervlak interageren met het tegenoverliggende oppervlak.

"We probeerden na te denken over wat voor soort vormen de groep van Chan zou moeten fabriceren om tot een significante afstotende kracht te leiden, dus deden we wat achtergrondstudies en berekeningen om er zeker van te zijn dat ze genoeg niet-monotonie zouden zien om meetbaar te zijn, ' zei Rodríguez.

Vooruit gaan, de onderzoekers zijn van plan om andere configuraties te verkennen die aanleiding kunnen geven tot nog grotere afstotende krachten en meer goed gedefinieerde afstoting bij grotere afstanden.