Forskare från University of Maryland har för första gången mätt en effekt som förutspåddes för mer än 40 år sedan, kallas Casimir -vridmomentet.

När de placeras tillsammans i ett vakuum mindre än diametern på en bakterie (en mikron) från varandra, två bitar av metall lockar varandra. Detta kallas Casimir -effekten. Casimir -vridmomentet - ett besläktat fenomen som orsakas av samma kvantelektromagnetiska effekter som lockar materialen - driver materialet till en snurrning. Eftersom det är en så liten effekt, Casimir -vridmomentet har varit svårt att studera. Forskargruppen, som inkluderar medlemmar från UMD:s avdelningar för el- och datorteknik och fysik och Institute for Research in Electronics and Applied Physics, har byggt en apparat för att mäta den årtionden gamla förutsägelsen av detta fenomen och publicerat deras resultat i tidningen 20 december Natur .

"Det här är en intressant situation där industrin använder något för att det fungerar, men mekanismen är inte väl förstådd, "sa Jeremy Munday, forskningsledare. "För LCD -skärmar, till exempel, vi vet hur man skapar tvinnade flytande kristaller, men vi vet inte riktigt varför de vrider sig. Vår studie visar att Casimir -vridmomentet är en avgörande del av flytande kristalljustering. Det är den första att kvantifiera bidraget från Casimir -effekten, men är inte den första som bevisar att det bidrar. "

Enheten placerar en flytande kristall bara tiotals nanometer från en solid kristall. Med ett polariserande mikroskop, forskarna observerade sedan hur den flytande kristallen vrider sig för att matcha den fasta kristallina axeln.

Teamet använde flytande kristaller eftersom de är mycket känsliga för yttre krafter och kan vrida ljuset som passerar genom dem. Under mikroskopet, varje avbildad pixel är antingen ljus eller mörk beroende på hur tvinnat flytande kristallskiktet är. I experimentet, en svag förändring av ljusstyrkan i ett flytande kristallskikt gjorde att forskargruppen kunde karakterisera den flytande kristallvridningen och vridmomentet som orsakade det.

Casimir -effekten kan få nanoskala delar att röra sig och kan användas för att uppfinna nya nanoskala enheter, såsom ställdon eller motorer.

"Tänk på alla maskiner som kräver ett vridmoment eller vridning:drivaxlar, motorer, etc., "sade Munday." Casimir -vridmomentet kan göra detta på nanoskala. "

Att veta mängden Casimir -vridmoment i ett system kan också hjälpa forskare att förstå rörelserna i nanoskala delar som drivs av Casimir -effekten.

Teamet testade några olika typer av fasta ämnen för att mäta deras Casimir -vridmoment, och fann att varje material har sin egen unika signatur av Casimir vridmoment.

Mätanordningarna byggdes i UMD:s Fab Lab, en gemensam användaranläggning och renrumshusverktyg för att göra nanoskalaenheter.

Förr, forskarna gjorde också de första mätningarna av en motbjudande Casimir -kraft och en mätning av Casimir -kraften mellan två sfärer. De har också gjort några förutsägelser som kan bekräftas om den nuvarande mättekniken kan förfinas; Munday rapporterar att de testar andra material för att kontrollera och skräddarsy vridmomentet.

Munday är docent i el- och datateknik vid UMD:s A. James Clark School of Engineering, och hans laboratorium är inrymt i UMD:s Institute for Research in Electronics and Applied Physics, som möjliggör tvärvetenskaplig forskning mellan dess naturvetenskapliga och tekniska högskolor.

"Experiment som detta hjälper oss att bättre förstå och kontrollera kvantevakuumet. Det är vad man kan kalla" det tomma rymdets fysik, 'som vid närmare undersökning tycks inte vara så tom trots allt, "sa John Gillaspy, fysikprogramansvarig som övervakade NSF -finansiering av forskningen.

"Klassiskt, vakuumet är verkligen tomt - det är, per definition, frånvaron av någonting, "sa Gillaspy." Men kvantfysiken förutspår att även det mest tomma utrymme som man kan tänka sig är fyllt med "virtuella" partiklar och fält, kvantfluktuationer i ren tomhet som leder till subtila, men väldigt verkligt, effekter som kan mätas och till och med utnyttjas för att göra saker som annars skulle vara omöjliga. Universum innehåller många komplicerade saker, men det finns fortfarande obesvarade frågor om några av de enklaste, mest grundläggande fenomen - denna forskning kan hjälpa oss att hitta några av svaren. "