Wetenschappers verklaren de paradox van kwantumkrachten in nanodevices

Onderzoekers van de Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU) hebben een nieuwe benadering voorgesteld om de interactie van metalen met elektromagnetische fluctuaties (dwz met willekeurige uitbarstingen van elektrische en magnetische velden) te beschrijven. De verkregen resultaten hebben toepassingen in zowel fundamentele fysica als voor het maken van nanodevices voor verschillende doeleinden. Het artikel is gepubliceerd in het European Physical Journal C.

De werking van microdevices die in de moderne technologie worden gebruikt, wordt beïnvloed door de Casimir-kracht die wordt veroorzaakt door elektromagnetische fluctuaties. Dit is de aantrekkingskracht tussen twee oppervlakken in het vacuüm. Een dergelijke interactie tussen elektrisch neutrale lichamen die zich op een afstand van minder dan één micrometer bevinden, werd in het midden van de 20e eeuw theoretisch beschreven door academicus Evgeny Lifshitz. In sommige gevallen was de theorie van Lifshitz echter in tegenspraak met de experimentele resultaten. Een mysterieuze paradox werd ontdekt tijdens het proces van nauwkeurige metingen van de Casimir-krachten in nanodevices.

“De voorspellingen van de Lifshitz-theorie waren alleen in overeenstemming met de meetresultaten als er geen rekening werd gehouden met de energieverliezen van geleidingselektronen in metalen. Deze verliezen bestaan ​​echter wel! Het is algemeen bekend dat elektrische stroom de In de literatuur wordt deze situatie de Casimir-puzzel genoemd ”, legt Galina Klimchitskaya, hoogleraar aan het Institute of Physics, Nanotechnology and Telecommunications, SPbPU uit.

De wetenschappers van de Polytechnische Universiteit hielden tegelijkertijd rekening met de energieverliezen van elektronen in metalen en bereikten een overeenkomst tussen de voorspellingen van de Lifshitz-theorie en zeer nauwkeurige metingen van de Casimir-kracht. Een nieuwe benadering, die de interactie van metalen met elektromagnetische fluctuaties beschrijft, houdt er rekening mee dat er twee soorten fluctuaties zijn: echte fluctuaties (vergelijkbaar met de waargenomen elektromagnetische velden) en zogenaamde virtuele fluctuaties die niet direct kunnen worden waargenomen (vergelijkbaar met de virtuele deeltjes die het kwantumvacuüm vormen).

“De voorgestelde benadering leidt tot ongeveer dezelfde bijdrage van echte fluctuaties aan de Casimir-kracht als de algemeen gebruikte, maar verandert de bijdrage van virtuele fluctuaties aanzienlijk. Als resultaat komt de theorie van Lifshitz overeen met het experiment, rekening houdend met de energieverliezen van elektronen in metalen ”, zegt Vladimir Mostepanenko, hoogleraar aan het Instituut voor Fysica, Nanotechnologie en Telecommunicatie, SPbPU.

De gepubliceerde resultaten hebben betrekking op niet-magnetische metalen. In de toekomst zijn onderzoekers van plan de resultaten uit te breiden naar materialen met ferromagnetische eigenschappen. Er zal dus een mogelijkheid zijn voor betrouwbare berekening en creatie van meer miniatuur nanodevices die worden gebruikt onder invloed van de Casimir-kracht.