Att få något från ingenting låter som en bra affär, så i åratal har forskare försökt utnyttja den lilla mängd energi som uppstår när föremål förs mycket nära varandra. Det är en energikälla så obskyr att den en gång förlöjligades som en fantasifull källa till "evig rörelse". Nu, ett forskarlag inklusive Princeton-forskare har hittat ett sätt att utnyttja en mystisk kraft av avstötning, vilket är en aspekt av den kraften.

Denna energi, förutspådde för sju decennier sedan av den holländska forskaren Hendrik Casimir, uppstår från kvanteffekter och kan ses experimentellt genom att placera två motstående plattor mycket nära varandra i ett vakuum. På nära håll, plattorna stöter bort varandra, vilket kan vara användbart för vissa tekniker. Tills nyligen, dock, att utnyttja denna "Casimir-kraft" för att göra någonting användbart verkade omöjligt.

Ett nytt kiselchip byggt av forskare vid Hong Kong University of Science and Technology och Princeton University är ett steg mot att utnyttja Casimir-styrkan. Med hjälp av en smart sammansättning av mikronstora former etsade in i plattorna, forskarna visade att plattorna stöter bort när de förs nära varandra. Att konstruera den här enheten helt av ett enda kiselchip kan öppna vägen för att använda Casimir-kraften för praktiska applikationer som att förhindra att små maskindelar fastnar i varandra. Verket publicerades i februarinumret av tidskriften Nature Photonics .

Energi av ett vakuum

"Detta är bland de första experimentella verifikationerna av Casimir-effekten på ett kiselchip, sa Alejandro Rodriguez, en biträdande professor i elektroteknik vid Princeton University, som tillhandahållit teoretiska beräkningar för enheten, som byggdes av ett team ledd av Ho Bun Chan vid Hong Kong University of Science and Technology. "Och det låter dig också göra mätningar av krafter i mycket icke-triviala strukturer som dessa som orsakar avstötning. Det är ett dubbelt slag."

Kiselstrukturen ser ut som två plattor fodrade med tänder som är vända mot varandra över en liten lucka som bara är cirka 100 nanometer bred. (Ett människohår är 60, 000-80, 000 nanometer bred.) När de två plattorna trycks närmare varandra, Casimir-styrkan kommer till spel och trycker isär dem.

Denna frånstötande effekt inträffar utan tillförsel av energi och till alla sken, i ett vakuum. Dessa egenskaper ledde till att denna energi kallas "nollpunktsenergi". De underblåste också tidigare påståenden om att Casimir-styrkan inte kunde existera eftersom dess existens skulle innebära någon form av evig rörelse, vilket skulle vara omöjligt enligt fysikens lagar.

Kraften, som sedan experimentellt har bekräftats existera, uppstår från de normala kvantfluktuationerna hos de få atomerna som kvarstår i avgrunden trots evakueringen av all luft.

Teamet visade att det är möjligt att bygga en enhet i kisel för att kontrollera Casimir-styrkan.

"Vårt papper visar att det är möjligt att kontrollera Casimir-styrkan med hjälp av strukturer av komplexa, skräddarsydda former, sa Ho Bun Chan, senior författare på tidningen och en vetenskapsman vid Hong Kong University of Science and Technology. Hans team byggde på tidigare arbete av Rodriguez publicerat 2008 som föreslog former som skulle förväntas ge en Casimir-kraft som både kunde attrahera och stöta bort. "Detta papper är den experimentella förverkligandet av en struktur inspirerad av Rodriguez design, " sa Chan.

Rodriguez och hans team vid Princeton utvecklade tekniker som gjorde det möjligt för forskarna att beräkna interaktioner mellan två parallella plattor när de närmar sig varandra. Med dessa verktyg, de kunde sedan utforska vad som skulle hända om mer komplexa geometrier användes. Detta ledde till några av de första förutsägelserna om en frånstötande Casimir-styrka 2008.

Rodriguez-gruppen använde nanofotoniska tekniker, som innebar att mäta hur ljus skulle interagera med strukturerna, för att komma till de komplexa ekvationerna för hur kraften uppstår från samverkan mellan två plattor.

Kiselanordningen inkluderade en liten mekanisk fjäder som forskarna använde för att mäta kraften mellan de två plattorna, och för att verifiera att kvantkraften kan vara frånstötande. De ungefär T-formade silikontänderna är det som gör att den frånstötande kraften kan bildas. Avstötningen kommer från hur olika delar av ytan interagerar med den motsatta ytan.

"Vi försökte tänka på vilken typ av former Chans grupp skulle behöva tillverka för att leda till en betydande frånstötande kraft, så vi gjorde några bakgrundsstudier och beräkningar för att se till att de skulle se tillräckligt med icke-monotonicitet för att vara mätbara, sa Rodriguez.

Går framåt, forskarna planerar att utforska andra konfigurationer som kan ge upphov till ännu större repulsiva krafter och mer väldefinierad repulsion vid större separationer.