211service.com
Ingenieurs onthullen eerste Casimir-chip die gebruikmaakt van vacuümenergie
Een van de vreemdste effecten die voortkomen uit de kwantumaard van het universum is de Casimir-kracht. Dit duwt twee parallelle geleidende platen tegen elkaar als ze slechts enkele tientallen nanometers van elkaar verwijderd zijn.
Op dit soort schalen kan de Casimir-kracht domineren en ingenieurs zijn zich terdege bewust van de ongewenste effecten ervan. Een van de redenen waarom micro-elektromechanische machines hun oorspronkelijke belofte nooit hebben waargemaakt, is de kracht die Casimir-krachten kunnen opwekken.
Aan de andere kant hopen veel ingenieurs de Casimir-kracht te exploiteren. Verschillende theoretische modellen voorspellen dat de kracht afstotend zou moeten zijn tussen objecten van bepaalde vormen, een fenomeen dat stiction zou kunnen voorkomen.
Maar er is een probleem: experimenten met Casimir-kracht zijn buitengewoon moeilijk uit te voeren. Een hoofdpijn is dat niemand de technologie heeft geperfectioneerd om verschillende objecten nauwkeurig te positioneren met een opening op nanometerschaal. Een andere is dat microscopisch kleine objecten de neiging hebben om te vervormen en te buigen; elke golving op een plat oppervlak kan de hoeveelheid Casimir-kracht ertussen en zelfs de richting ervan drastisch veranderen. Dat maakt experimentele resultaten moeilijk te interpreteren.
Vandaag zetten Jie Zou van de University of Florida en een paar maatjes een grote stap om hier verandering in te brengen. Deze jongens hebben een enkel apparaat uit silicium gesneden dat in staat is om de Casimir-kracht te meten tussen een paar parallelle siliciumstralen, het eerste on-chip apparaat dat dit kan.
Het apparaat bestaat uit een vaste balk en een andere beweegbare bevestigd aan een elektromechanische actuator. Het team begint met het meten van de onderlinge afstand met behulp van een scanning elektronenmicroscoop. Vervolgens zetten ze een spanning op de actuator, die de beweegbare balk naar de vaste balk duwt.
De bundels oscilleren met een natuurlijke frequentie, die Zou en co gemakkelijk kunnen meten. Deze frequentie is echter afhankelijk van de krachten op de balken. Dus naarmate de bundels dichter bij elkaar komen en de Casimir-krachten veranderen, verandert ook de oscillatiefrequentie. Zo meten Zou en co de kracht.
Natuurlijk zijn hier ook andere krachten in het spel, zoals elektrostatische restkrachten. Als Zou en co hiermee rekening houden, komen hun resultaten min of meer exact overeen met de theoretische voorspellingen voor de Casimir-kracht die bundels met deze vorm zouden moeten genereren.
Het apparaat lost een aantal problemen op. Ten eerste, omdat beide siliciumbundels in dezelfde lithografische stap worden gemaakt, vormen ongewenste vervormingen geen significant probleem. En de positionering is ook gemakkelijker te controleren, omdat de balken en actuator allemaal deel uitmaken van hetzelfde apparaat en dus veel minder kalibratie en uitlijning nodig hebben. Ten slotte zijn er de metingen zelf die eenvoudiger op een enkele chip kunnen worden uitgevoerd dan in eerdere experimenten.
Dit alles zorgt voor een belangrijke stap voorwaarts. Wat deze jongens hebben gebouwd, is de eerste machine op de chip die gebruikmaakt van de Casimir-kracht die wordt gegenereerd door een specifieke geometrische configuratie.
De grote belofte van dit alles is dat ook andere vormen te vervaardigen zouden moeten kunnen worden. Dit schema opent de mogelijkheid om de Casimir-kracht aan te passen met behulp van lithografisch gedefinieerde componenten van niet-conventionele vormen, zeggen Zou en co.
Dus in plaats van te worden gehinderd door oncontroleerbare Casimir-krachten, zou de volgende generatie micro-elektromechanische apparaten ze moeten kunnen exploiteren, misschien om stictionloze lagers, veren en zelfs actuatoren te maken.
Spannende tijden voor micro- en nanomachines.
Referentie: arxiv.org/abs/1207.6163 : Geometrie-afhankelijke Casimir-krachten op een siliciumchip