Физики из Швеции и США придумали способ, с помощью которого можно обратить силу Казимира, притягивающую параллельные металлические пластины. Для этого ученые предложили заполнить пространство между пластинами средой, не обладающей зеркальной симметрией, то есть различающей левые и правые фотоны. Теоретически, открытие ученых может решить проблему «склеивания» частей нанометровых машин. Статья опубликована в Physical Review B, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
В 1948 году голландский физик Хендрик Казимир обнаружил, что две проводящие пластины, помещенные в абсолютный вакуум, притягиваются друг к другу за счет вакуумных флуктуаций, то есть за счет рождения виртуальных частиц. Качественно этот эффект можно объяснить следующим образом. Квантовая теория поля утверждает, что пространство никогда не бывает пустым: даже в абсолютном вакууме постоянно рождаются и сразу же исчезают виртуальные фотоны и пары частица—античастица. Избавиться от виртуальных частиц принципиально нельзя. Тем не менее, если наложить на вакуум специальные граничные условия, можно запретить рождение частиц с определенными параметрами. Например, в пространстве между двумя проводящими плоскостями могут рождаться только фотоны с резонансной частотой, которые отвечают стоячим волнам, «зажатым» между пластинами. В пространстве снаружи пластин таких ограничений нет. Следовательно, давление виртуальных фотонов внутри пластин меньше, чем снаружи, и пластины будут притягиваться. Грубо говоря, можно сказать, что вакуум внутри пластин «откачан» сильнее, чем снаружи. Более подробное объяснение эффекта можно прочитать в статье «Энергия вакуума: Эффект Казимира».
Вскоре после открытия Казимира Евгений Лифшиц обобщил эти результаты на случай тел произвольной формы и состава. В частности, из его расчетов следовало, что два материала с одинаковыми диэлектрическими проницаемостями не могут отталкиваться за счет силы Казимира. В 2006 году Одед Кеннет (Oded Kenneth) и Израэль Клинч (Israel Klich) строго доказали это предположение для произвольных немагнитных тел, являющихся зеркальными копиями друг друга. Этот результат имеет не только теоретическое, но и практическое значение. В самом деле, для нанометрового устройства сила Казимира играет роль «универсального клея», которые мешает двигаться частям машины. Из теоремы Кеннета и Клинча же следует, что избавиться от этого «клея» геометрическими методами невозможно.
Тем не менее, физики Цинь-Дун Цзянь (Qing-Dong Jiang) и Фрэнк Вильчек (известный нобелевский лауреат) предложили альтернативный способ, с помощь которого притягивающую силу Казимира можно превратить в отталкивающую. Для этого ученые заметили, что классический вывод силы Казимира не различает левые и правые фотоны. В частности, при доказательстве своей «запрещающей» теоремы Кеннет и Клинч существенно полагаются на зеркальную симметрию, которая меняет левые и правые фотоны местами. Следовательно, если пространство между симметричными объектами не будет уважать эту симметрию, условия теоремы (которые предполагались неявно) выполняться не будут, и силу Казимира удастся обратить.
Чтобы проверить это предположение, ученые повторили классический вывод силы Казимира, рассчитав статсумму и энергию системы с учетом отличий между левыми и правыми фотонами. Для простоты физики рассматривали систему двух параллельных идеально отражающих пластин, пространство между которыми было заполнено средой, нарушающей зеркальной симметрию. В такой системе s- и p-поляризованные волны больше не являются собственными состояниями оператора рождения фотонов, поэтому физики работали в хиральном базисе, в котором фотоны имеют определенную поляризацию (левую или правую).
В качестве среды, нарушающей зеркальную симметрию, физики рассмотрели два кандидата. Первый кандидат — это материал, в котором наблюдается эффект Фарадея, то есть в котором плоскость поляризации фотонов поворачивается под действием магнитного поля. Второй кандидат — оптически активная среда, которая также поворачивает плоскость поляризации фотонов. Кроме того, ученые численно рассчитали силу Казимира для таких материалов при конечной температуре. Во всех случаях исследователи получили, что сила не только может быть отталкивающей, но также может в несколько раз превысить стандартную силу Казимира между пластинами, разделенными пустым пространством.
Стоит отметить, что теорема, доказанная Кеннетом и Клинчем, запрещает отталкиваться только телам одинаковой формы, тогда как сила Казимира между разными телами может быть направлена в произвольную сторону. Например, в 2009 году группа ученых под руководством Джереми Мандея (Jeremy Munday) заставила золотой шарик левитировать над кремниевой поверхностью за счет силы Казимира. Для этого физики заполнили пространство между телами бромбензолом. Впоследствии ученые также добились отталкивания тел другой формы. Тем не менее, силы отталкивания, которые наблюдались в этих экспериментах, очень малы, а потому заметить их — и тем более использовать в прикладных целях — сложно.
В апреле 2017 года физики из Китая и США создали микросхему, в которой эффект Казимира используется в обратном виде — наноструктуры отталкиваются, а не притягиваются друг к другу. Чтобы добиться такого поведения, ученые изменили форму пластин, превратив их в «расчески» с Т-образными зубьями. А в январе 2018 американские исследователи впервые измерили силу Казимира между двумя золотыми микросферами.
Дмитрий Трунин