Kvantové podivnosti: Na rotující nanočástice působí Casimirova síla  
Vše nasvědčuje tomu, že nanoinženýři budou moci při konstrukci důmyslných nanostrojků využívat zajímavé kvantové vychytávky.

 

Boční Casimirova síla. Kredit: University of New Mexico.
Boční Casimirova síla. Kredit: University of New Mexico.

Svět nanočástic je zvláštní a působí tam zvláštní síly. Nedávno to potvrdilo pozorování mezinárodního týmu fyziků, který vedl americký badatel Alejandro Manjavacas z Univerzity Nového Mexika. Se svými kolegy zkoumal vliv legendárního Casimirova jevu na rotující nanočástice. Podle všeho jde o zásadní výzkum, čemuž nasvědčuje i velký ohlas na světové síti. Publikaci Manjavacasova týmu nedávno publikoval časopis Physical Review Letters.

 

Alejandro Manjavacas. Kredit: University of New Mexico.
Alejandro Manjavacas. Kredit: University of New Mexico.

Výzkum Manjavacase a jeho kolegů zajímavě propojuje teoretickou nanofotoniku a kvantovou mechaniku. Celé se to točí kolem Casimirova jevu. Ten se projevuje měřitelnou přitažlivou silou, která vzniká jakoby z ničeho mezi elektricky nenabitými objekty umístěnými ve vakuu. Ve skutečnosti jde o projevy fluktuací vakua, při nichž vznikají a po nepatrném okamžiku opět zanikají virtuální páry částic a antičástic. Podle klasické fyziky by ve vakuu žádná taková síla pochopitelně vznikat neměla. Když ale záležitost převezme kvantová teorie pole, tak podle ní je vakuum přeplněné virtuálními objekty, jejichž asymetrickým rozložením vzniká nevelká, ale měřitelná fyzikální síla.


Manjavacas podotýká, že pro bouřlivě se rozvíjející nanotechnologie by jejich výsledky mohly být důležité. V nanosvětě pozbývají na významu klasické fyzikální síly a naopak začínají zcela převládat kvantové mechanismy, jako je právě Casimirův jev. Manjavacas s koley prozkoumali Casimirovu sílu, která působí z boku na rotující nanočástice poblíž plochého povrchu ve vakuu. Vznik této formy Casimirovy síly je přitom poněkud komplikovanější, nežli u prostého přitahování dvou rovnoběžných nenabitých desek.

 

Casimirův jev. Kredit: Emok / Wikimedia Commons.
Casimirův jev. Kredit: Emok / Wikimedia Commons.

Je to docela roztomilé. Představte si kulaté nanočástice, které jako nepatrné korálky rotují nad povrchem. Kvůli srážkám s částicemi rotace nanočástic zpomaluje, ale nanočástice se zároveň pohybují bočním směrem podél povrchu. Ve světě klasické fyziky by se částice nejprve musely dotknout povrchu a pak by došlo ke tření mezi částicí a povrchem, díky němuž by se částice pohybovala podél povrchu. Jenže v nanosvětě klasické fyzikální poučky příliš neplatí a nanočástice se pohybují podél povrchů i bez tření a bez nutnosti kontaktu s povrchem.

 

University of New Mexico.
University of New Mexico.

Pozorování Casimirovy síly, která tlačí nanočástice podél povrchu, asi leckomu přijde poněkud bizarní. Ve skutečnosti ale jde o extrémně užiteční poznatky, které pomohou nanoinženýrům. Manjavacas s kolegy zjistili, že boční Casimirovu sílu je možné regulovat změnami vzdálenosti mezi nanočásticí a povrchem. Toho by nanoinženýři mohli velice dobře využít.

Video:  Casimir force: The Quantum Around You


Literatura
University of New Mexico 7. 4. 2017, Physical Review Letters 118: 133605 (online 31. 3. 2017), Wikipedia (Casimir effect).

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 11.04.2017
Tisk článku

Svetlo - Štrba Anton, Mesóroš Vladimír, Senderáková Dagmar
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 379 Kč
cena: 325 Kč
Svetlo
Štrba Anton, Mesóroš Vladimír, Senderáková Dagmar
Související články:

Je temná hmota pouhou iluzí z kvantového vakua?     Autor: Stanislav Mihulka (19.08.2011)
Virtuální částice vakua možná hýbou rychlostí světla     Autor: Stanislav Mihulka (17.04.2013)
Budeme si posílat zprávy napříč časem červími děrami?     Autor: Stanislav Mihulka (25.05.2014)



Diskuze:

podivnost

Petr Petr,2017-04-12 14:17:02

Hlavní podivností je, jak se to interpretuje...
(kvantovou mystikou fluktuací vakua)
Přímo od zdroje (článku)
https://arxiv.org/pdf/1612.03733.pdf
je jasné, že síla závisí na vodivosti použitého kovu a u jiných materiálů závisí na jejich parametrech. Tj. nezáleží na parametrech virtuálních částic...
(ve vzorečku o tom ani písmenko - je tam, kromě rozměrů atp., sice Planckova konstanta, ale to nic neříká o virtuálních částicích...)

Odpovědět


Re: podivnost

Petr Kuběna,2017-04-12 22:23:27

Nad prvním vztahem vysvětlují, jak k němu došli. Nedíval jsem se do dodatku a dost možná bych tomu už asi ani nerozuměl, ale na vstupu je Casimirův efekt (jedná se o tu sumu průměrů). Právě ta suma popisně vyjadřuje, co ty označuješ za "kvantovou mystiku".
Dále to pochopitelně zjednodušili a výsledný vzoreček nepopisuje podstatu, ale jen výsledek. Ale tak to platí všude ve fyzice. Vzpomeň si na střední školu a elektromagnetismus - všechny vzorečky (pomiňme, že jsou vlastně špatně), které tam jsou, nijak nepopisují podstatu jevu (např chování elektronů ve vodiči), jen jeho výsledek.

Odpovědět

Částice má sebevražednou (kamikadze) tendenci líznout si povrchu a skutečně to rozjet

Josef Hrncirik,2017-04-12 07:06:55

Odpovědět


Re: Částice má sebevražednou (kamikadze) tendenci líznout si povrchu a skutečně to rozjet

Milan Krnic,2017-04-12 09:53:30

Pro mě je vskutku roztomilé zjištění, že i v nanosvětě jdou věci bokem.
Zajímalo by mě, jak pomohou nanoinženýrům, a jak by je tito mohli velice dobře využít. Snad časem.
Díky za článek.

Odpovědět


Boční Kazimírova síla nezadržitelně sebevražedně způsobila, že abstrakt zakončili větou:

Josef Hrncirik,2017-04-16 19:56:16

"In particular, we show that the direction of the force can be controlled by adjusting the particle-surface distance, which may be exploited as a new mechanism to manipulate nanoscale objects".
Napsat magnitude místo direction jim ani při jejich simulacích a manipulacích tato síla nedovolila.
Nanočástice vykazují tepelný pohyb translační, vibrační i rotační, sedimentují v grav. poli a jsou přitahovány i v nenabitém stavu i k nenabitým povrchům (disperzní, v.d.Waals či London, Casimir-Polder-Lifšic síly.
Nejsilnější je pochopitelně Kazimír kreatující z horror vacui virtuální částice.
Casimirovské síly vznikají interakcí fluktuujících el. polí v okolí hmoty atomárními či tepelnými pohyby a když se přidá princip neurčitosti, není často nutno volat Kazimíra.
Alejandro odtlačil bokem všechny podstatné a již dobře popsané síly působící na nánokuličku nad hladkým povrchem a chytil příležitost za pačesy.
Své Sic karborundové, avšak jen 0,1 a 1 um velké koule prudce, 1 a 100 kHz roztočil při rozumné pokojové teplotě 300K nad vyleštěnou karborundovou podložkou.
Z frekvenční závislosti dielektrické konstanty brousku nasimuloval zanedbatelnou boční Casimir sílu v závislosti na vzdálenosti 0,1 - 15 um od povrchu.
U ?pohraniční ?nánokoule 1 um tato závislost simulovala periodicitu.
Pro kovy a podrezonanční kmitočty odvodili analytické řešení.
Suše konstatovali, že rotace jsou brzděny.
Při 300K by tepelná rotace byla u 1 um koule cca 2,7 kHz; u 0,1um však 271 MHz, nahodile velmi rychle měnící smysl i velikost.
Když je stejný chaos i u rotace kolem dalších os, z bočního pohybu se stane naprosto zanedbatelná položka v bočním termálním difúzním pohybu, který např. částici navaří (přilepí) na podložku.
Vysimulovaná boční síla byla o 7-12 řádů menší než sedimentační z tíhového zrychlení.
Na závěr doporučuje proměřit trajektorii dobře vychlazených (rotujících až jen 100 GHz) fulerénů, mířících neodvratně k povrchu.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni