Casimirkraften och supraledningsförmågan är två välkända kvanteffekter. Dessa fenomen har studerats noggrant separat, men vad händer när dessa effekter kombineras i ett enda experiment? Nu, Delft University of Technology har skapat ett mikrochip på vilket två ledningar placerades i närheten för att mäta de Casimir-krafter som verkar på dem när de blir supraledande.

Är vakuum verkligen tomt? Kvantmekaniken säger oss att det faktiskt vimlar av partiklar. På 1940-talet De holländska fysikerna Hendrik Casimir och Dirk Polder förutspådde att när två objekt placeras mycket nära, ungefär en tusendel av diametern på ett människohår, detta hav av "vakuumpartiklar" trycker ihop dem – ett fenomen som kallas Casimir-effekten. Denna attraktionskraft finns mellan alla objekt och sätter till och med grundläggande gränser för hur nära vi kan placera komponenter tillsammans på mikrochips.

Superledning är ett annat välkänt kvantfenomen, också upptäckt av en holländare, Heike Kamerlingh Onnes, i början av 1900-talet. Den beskriver hur vissa material, såsom aluminium eller bly, låt elektricitet flöda genom dem utan motstånd vid kryogena temperaturer. Under de senaste 100 åren, supraledare har revolutionerat vår förståelse av fysik och är ansvariga för magnetiskt svävande tåg, MRT-skanningar och även mobiltelefonstationer.

Utom räckhåll

Medan Casimir-effekten och supraledningsförmågan båda är brett studerade kvantfenomen, nästan ingenting är känt om samspelet mellan de två, och det är här som vissa fysiker tror att några av nästa vetenskapliga genombrott kan ligga. Casimir-styrkan har på ett avgörande sätt demonstrerats mellan olika material. Dock, att använda supraledare för att mäta effekten har varit utom räckhåll på grund av enorma tekniska utmaningar vid extremt kalla temperaturer.

I en ny publikation i Fysiska granskningsbrev , forskare från Delfts tekniska universitet har introducerat en ny toppmodern sensor som gör det möjligt för dem att för första gången mäta krafterna mellan tätt placerade supraledare. Sensorn består av ett mikrochip på vilket två strängar placeras i omedelbar närhet. Dessa trådar kan sedan kylas ner till kryogena temperaturer, gör dem supraledande. "Strängarna har hål i mitten som fungerar som en optisk resonator, " sa gruppledare Simon Gröblacher. "Laserljus av en viss våglängd fastnar där. Vi kan använda detta ljus för att mäta små förskjutningar mellan de två ledningarna, vilket innebär att vi kan mäta krafterna som verkar på dem vid vilken temperatur som helst."

Ytterligare tester

Med sin oöverträffade kraftkänslighet, forskarna kan också undersöka några mycket spekulativa teorier om kvantgravitation vid temperaturer nära absolut noll - en fysiks heliga gral. "Vi skulle kunna motbevisa en av de mer osannolika och kontroversiella kvantgravitationsteorierna, som förutspådde att vi skulle se en stark Casimir-liknande effekt på grund av gravitationsfält som studsar av supraledarna, sa Richard Norte, tidningens första författare. "Vi mätte ingen sådan effekt med vår nuvarande känslighet." Om det finns en gravitationell Casimir-effekt, den är mer subtil än den här teorin förutspått.

De nya mikrochipsen banar väg för ytterligare experiment i ett okänt vetenskapsområde där dessa två berömda kvanteffekter kolliderar. Forskarna hoppas kunna ytterligare öka känsligheten hos sina mikrochipsensorer inom en snar framtid och potentiellt undersöka Casimir-effekten mellan högtemperatursupraledare. Det är fortfarande en öppen fråga hur, exakt, supraledning fungerar i dessa exotiska material, och Casimir-experiment kunde belysa den underliggande fysiken.