Die sogenannte Casimir-Kraft oder der Casimir-Effekt ist ein quantenmechanisches Phänomen, das durch Schwankungen im elektromagnetischen Feld zwischen zwei leitenden oder dielektrischen Oberflächen entsteht, die einen geringen Abstand voneinander haben. Studien haben gezeigt, dass diese Kraft entweder anziehend oder abstoßend sein kann, je nach den dielektrischen und magnetischen Eigenschaften der in den Experimenten verwendeten Materialien.
Forscher an der University of Science and Technology of China haben kürzlich die Möglichkeit untersucht, die Casimir-Kraft gezielt zu steuern, also sie von anziehend auf abstoßend und umgekehrt umzustellen, und zwar mithilfe externer Magnetfelder. Ihre Studie, Vorgestellt In Naturphysikdemonstriert die erfolgreiche Magnetfeldabstimmung der Casimirkraft, die durch eine in wasserbasierte Ferroflüssigkeiten eingetauchte Goldkugel und eine Kieselsäureplatte entsteht.
„Mein Forschungsgebiet ist die Festkörperphysik, aber ich interessiere mich auch sehr für Grundlagenphysik, wie etwa Quantenfluktuationen und die von ihnen verursachten Effekte“, sagte Changgan Zeng, der korrespondierende Autor des Artikels, gegenüber Phys.org.
„In den letzten zwei Jahrzehnten habe ich die Entwicklungen auf dem Gebiet der Casimir-Kräfte aufmerksam verfolgt und war besonders beeindruckt von ein Artikel von Munday et al. in Natur. Casimir-Kräfte sind typischerweise anziehend, was für Anwendungen wie mikroelektromechanische Systeme (MEMS) eine Herausforderung darstellt. In ihrem Artikel entwickelten die Autoren ein elegantes Experiment, um abstoßende Casimir-Kräfte zu erzeugen, indem sie die dielektrischen Permittivitäten der beteiligten Materialien sorgfältig auswählten.“
Inspiriert von diesem früheren Artikel aus dem Jahr 2009 begann Zeng mit weiteren Forschungen, die darauf abzielten, Casimir-Kräfte durch Anwendung magnetischer Felder reversibel zu steuern. Seine Hoffnung war, einen zuverlässigen Ansatz zur Modulation des Casimir-Effekts zu entwickeln, der neue Wege für Forschung und Technologieentwicklung eröffnen könnte.
„Anfangs dachten wir darüber nach, die Casimir-Kraft durch Anlegen eines elektrischen Felds zu steuern, inspiriert vom Konzept der FET-Geräte“, erklärte Zeng. „Obwohl bekannt ist, dass die Casimir-Kraft von den dielektrischen Permittivitäten der beteiligten Materialien abhängt, sind diese Permittivitäten im Allgemeinen nicht empfindlich gegenüber äußeren Feldern. Andererseits hängt die Casimir-Kraft gemäß der Lifshitz-Theorie auch von den magnetischen Permeabilitäten der Materialien ab.“
Die magnetische Permeabilität vieler magnetischer Materialien, insbesondere Ferrofluide, lässt sich durch Anlegen externer Magnetfelder modulieren. Zeng und seine Studenten entschieden sich daher, wasserbasierte Ferrofluide zu verwenden, um die Abstimmung der Casimir-Kraft zwischen einer Goldkugel und einer Kieselsäureplatte zu ermöglichen.
„Ich habe dieses Projekt meinen Doktoranden vorgeschlagen, aber keiner war bereit, es anzunehmen“, sagte Zeng. „Letztendlich gelang es mir, einige talentierte Studenten davon zu überzeugen, das Projekt zu übernehmen, und wir hatten Erfolg.“
Zeng und seine Studenten führten zunächst eine Reihe theoretischer Berechnungen durch. Diese Berechnungen legten nahe, dass die Casimir-Kraft von anziehend auf abstoßend umgeschaltet werden könnte, indem man einfach ein externes Magnetfeld, den Abstand zwischen den beiden Materialproben und das Volumen der verwendeten Ferrofluide moduliert.
Anschließend führten die Forscher ein Experiment durch, um ihre Vorhersagen zu testen. Mithilfe eines Cantilevers, der Messungen im Inneren von Ferrofluiden durchführen konnte, beobachteten sie, wie sich die von ihnen vorgenommenen Änderungen auf den Casimir-Effekt auswirkten.
Die Ergebnisse dieser aktuellen Studie könnten bald den Weg für weitere Bemühungen ebnen, den Casimir-Effekt mithilfe externer Felder effektiv zu steuern. Zusammen könnten diese Arbeiten die Entwicklung neuer schaltbarer mikromechanischer Geräte ermöglichen, die Casimir-Kräfte nutzen.
„Wir haben mithilfe eines Magnetfelds eine reversible Abstimmung der Casimir-Kraft von anziehend auf abstoßend erreicht und damit den Weg für die Entwicklung schaltbarer mikromechanischer Geräte auf Basis des abstimmbaren Casimir-Effekts geebnet“, fügte Zeng hinzu. „In unseren nächsten Studien planen wir, die Casimir-Kraft mithilfe von Licht zu steuern. Beispielsweise können die Plasmonen in Metallplatten durch Licht angeregt werden, was die Casimir-Kraft effektiv verändern sollte.“
Mehr Informationen:
Yichi Zhang et al., Magnetfeldabstimmung der Casimirkraft, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02521-0
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