Onderzoekers van de Universiteit van Maryland hebben voor het eerst een effect gemeten dat meer dan 40 jaar geleden werd voorspeld, het Casimir-koppel genoemd.

Wanneer ze samen in een vacuüm worden geplaatst dat kleiner is dan de diameter van een bacterie (één micron) uit elkaar, twee stukken metaal trekken elkaar aan. Dit wordt het Casimir-effect genoemd. Het Casimir-koppel - een gerelateerd fenomeen dat wordt veroorzaakt door dezelfde kwantumelektromagnetische effecten die de materialen aantrekken - duwt de materialen in een spin. Omdat het zo'n klein effect is, het Casimir-koppel was moeilijk te bestuderen. Het onderzoeksteam, waaronder leden van de afdelingen elektrotechniek en computertechniek en natuurkunde van UMD en het Instituut voor Onderzoek in Elektronica en Toegepaste Natuurkunde, heeft een apparaat gebouwd om de decennia-oude voorspelling van dit fenomeen te meten en publiceerde hun resultaten in het 20 december nummer van het tijdschrift Natuur .

"Dit is een interessante situatie waarin de industrie iets gebruikt omdat het werkt, maar het mechanisme is niet goed begrepen, " zei Jeremy Munday, de leider van het onderzoek. "Voor LCD-schermen, bijvoorbeeld, we weten hoe we gedraaide vloeibare kristallen moeten maken, maar we weten niet echt waarom ze draaien. Onze studie bewijst dat het Casimir-koppel een cruciaal onderdeel is van de uitlijning van vloeibare kristallen. Het is de eerste die de bijdrage van het Casimir-effect kwantificeert, maar is niet de eerste die bewijst dat het bijdraagt."

Het apparaat plaatst een vloeibaar kristal op slechts tientallen nanometers van een vast kristal. Met een polariserende microscoop de onderzoekers observeerden vervolgens hoe het vloeibare kristal draait om overeen te komen met de kristallijne as van de vaste stof.

Het team gebruikte vloeibare kristallen omdat ze erg gevoelig zijn voor externe krachten en het licht dat er doorheen gaat kunnen verdraaien. Onder de microscoop, elke afgebeelde pixel is licht of donker, afhankelijk van hoe gedraaid de vloeibaar-kristallaag is. In het experiment, een zwakke verandering in de helderheid van een vloeibaar-kristallaag stelde het onderzoeksteam in staat de vloeibaar-kristaldraaiing en het koppel dat deze veroorzaakte te karakteriseren.

Het Casimir-effect kan onderdelen op nanoschaal doen bewegen en kan worden gebruikt om nieuwe apparaten op nanoschaal uit te vinden. zoals actuatoren of motoren.

"Denk aan elke machine die een koppel of draaiing nodig heeft om te worden overgebracht:aandrijfassen, motoren, enzovoort., "zei Munday. "Het Casimir-koppel kan dit op nanoschaal."

Het kennen van de hoeveelheid Casimir-koppel in een systeem kan onderzoekers ook helpen de bewegingen van onderdelen op nanoschaal te begrijpen die worden aangedreven door het Casimir-effect.

Het team testte een paar verschillende soorten vaste stoffen om hun Casimir-koppels te meten, en ontdekte dat elk materiaal zijn eigen unieke handtekening van Casimir-koppel heeft.

De meetapparatuur is gebouwd in het Fab Lab van UMD, een gedeelde gebruikersfaciliteit en cleanroom-behuizingstools om apparaten op nanoschaal te maken.

Vroeger, de onderzoekers deden ook de eerste metingen van een afstotende Casimir-kracht en een meting van de Casimir-kracht tussen twee bollen. Ze hebben ook enkele voorspellingen gedaan die kunnen worden bevestigd als de huidige meettechniek kan worden verfijnd; Munday meldt dat ze andere materialen testen om het koppel te regelen en aan te passen.

Munday is universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de A. James Clark School of Engineering van UMD, en zijn lab is gehuisvest in UMD's Institute for Research in Electronics and Applied Physics, die interdisciplinair onderzoek tussen de natuurwetenschappen en technische hogescholen mogelijk maakt.

"Experimenten zoals deze helpen ons het kwantumvacuüm beter te begrijpen en te beheersen. Het is wat je zou kunnen noemen 'de fysica van lege ruimte, ' die bij nader inzien toch niet zo leeg lijkt te zijn, " zei John Gillaspy, de natuurkundeprogrammamedewerker die toezicht hield op de NSF-financiering van het onderzoek.

"Klassiek, het vacuüm is echt leeg - het is, per definitie, de afwezigheid van iets, " zei Gillaspy. "Maar de kwantumfysica voorspelt dat zelfs de meest lege ruimte die je je kunt voorstellen gevuld is met 'virtuele' deeltjes en velden, kwantumfluctuaties in pure leegte die leiden tot subtiele, maar heel echt, effecten die kunnen worden gemeten en zelfs kunnen worden benut om dingen te doen die anders onmogelijk zouden zijn. Het universum bevat veel gecompliceerde dingen, toch zijn er nog steeds onbeantwoorde vragen over enkele van de eenvoudigste, meest fundamentele verschijnselen - dit onderzoek kan ons helpen om enkele van de antwoorden te vinden."