Je zou kunnen denken dat een paar parallelle platen die roerloos in een vacuüm hangen op slechts een fractie van een micrometer van elkaar, zou zijn als vreemden die 's nachts passeren - zo dichtbij maar voorbestemd om elkaar nooit te ontmoeten. Dankzij de kwantummechanica, je zou het mis hebben.

Wetenschappers die werken aan het ontwerpen van machines op nanoschaal weten dit maar al te goed, omdat ze te maken hebben met kwantumkrachten en alle gekte die daarmee gepaard gaan. Deze kwantumkrachten, met name het Casimir-effect, kan grote schade aanrichten als u dicht op elkaar staande oppervlakken wilt voorkomen dat ze bij elkaar komen.

Het beheersen van deze effecten kan ook nodig zijn voor het maken van kleine mechanische onderdelen die nooit aan elkaar plakken, voor het bouwen van bepaalde soorten kwantumcomputers, en voor het bestuderen van zwaartekracht op microschaal.

Nutsvoorzieningen, een grote collaboratieve onderzoeksgroep met wetenschappers van een aantal federale laboratoria, waaronder het National Institute of Standards and Technology (NIST), en grote universiteiten, heeft waargenomen dat deze plakkerige effecten kunnen worden versterkt of verminderd door een van de oppervlakken te patroonvormen met structuren op nanoschaal. De vondst, beschreven in Natuurcommunicatie , opent een nieuwe weg voor het afstemmen van deze effecten.

Maar zoals vaak gebeurt met kwantumverschijnselen, het werk roept nieuwe vragen op, zelfs als het andere beantwoordt.

Een van de inzichten van de kwantummechanica is dat geen ruimte, niet eens de ruimte, is altijd echt leeg. Het zit vol energie in de vorm van kwantumfluctuaties, inclusief fluctuerende elektromagnetische velden die schijnbaar uit het niets komen en net zo snel weer verdwijnen.

Een deel van deze energie, echter, kan gewoon niet "passen" in de submicrometerruimte tussen een paar elektromechanische contacten. Meer energie aan de buitenkant dan aan de binnenkant resulteert in een soort "druk" genaamd de Casimir-kracht, die krachtig genoeg kan zijn om de contacten samen te duwen en vast te houden.

De heersende theorie beschrijft goed de Casimir-kracht tussen karakterloze, vlakke oppervlakken en zelfs tussen de meest soepel gebogen oppervlakken. Echter, volgens NIST-onderzoeker en co-auteur van het artikel, Vladimir Aksjoek, bestaande theorie faalt in het voorspellen van de interacties die ze in hun experiment hebben waargenomen.

"Bij ons experiment we maten de Casimir-aantrekkingskracht tussen een met goud beklede bol en platte gouden oppervlakken met een patroon met rijen periodieke, afgeplatte randen, elk minder dan 100 nanometer breed, gescheiden door wat bredere openingen met diepe, doorzichtige wanden, ", zegt Aksyuk. "We wilden zien hoe een nanogestructureerd metalen oppervlak de Casimir-interactie zou beïnvloeden, wat nog nooit eerder was geprobeerd met een metalen oppervlak. Van nature, we verwachtten dat er minder aantrekkingskracht zou zijn tussen ons gegroefde oppervlak en de bol, ongeacht de afstand ertussen, omdat de bovenkant van het gegroefde oppervlak minder totale oppervlakte en minder materiaal heeft. Echter, we wisten dat de afhankelijkheid van de Casimir-kracht van de oppervlaktevorm niet zo eenvoudig is."

Inderdaad, wat ze vonden was ingewikkelder.

Volgens Aksjoek, toen ze de scheiding tussen het oppervlak van de bol en het gegroefde oppervlak vergrootten, de onderzoekers ontdekten dat de aantrekkingskracht van Casimir veel sneller afnam dan verwacht. Toen ze de bol verder weg bewogen, de kracht viel met een factor twee onder de theoretisch voorspelde waarde. Toen ze het boloppervlak dicht bij de noktoppen bewogen, de aantrekkingskracht per eenheid noktopoppervlakte nam toe.

"Theorie kan de sterkere aantrekkingskracht verklaren, maar niet voor de te snelle verzwakking van de kracht met een grotere scheiding, "zegt Aksyuk. "Dus dit is nieuw terrein, en de natuurkundige gemeenschap zal met een nieuw model moeten komen om het te beschrijven."