Знание-сила, 2009 № 03 (981)

Эффект Казимира

Борис Булюбаш

Стремительное уменьшение размеров — определяющая тенденция развития современной электроники. На этом пути, однако, появились неожиданные препятствия; одно из наиболее серьезных связано с так называемым «эффектом Казимира». Физик-теоретик Хендрик Казимир (1909–2000) окончил университет Лейдена, его учителем был известный голландско-русский теоретик Пауль Эренфест. В 1931 году Казимир защищает в этом же университете докторскую диссертацию по теоретической физике, после чего работает в Цюрихе ассистентом Вольфганга Паули — одной из ключевых фигур в истории квантовой механики. С 1938 года Казимир возвращается в свою alma mater на должность профессора физики, а в 1946-м назначается одним из директоров Исследовательских лабораторий фирмы «Филипс». Спустя два года Казимир, проводя совместно с Дирком Полдером исследования коллоидных растворов, открывает «на кончике пера» эффект, ставший в начале двадцать первого столетия одним из наиболее активно изучаемых физических эффектов в сфере нанотехнологий. Что же удалось обнаружить Хендрику Казимиру?

На этих картинках пусть грубо, но наглядно представлены попытки объяснить возникновение силы Казимира

Согласно его расчетам, две незаряженные металлические пластины (или зеркала) — если они подвешены в вакууме и расстояние между ними не превышает двух микрометров — должны притягиваться друг к другу. В научном сообществе достаточно долго была распространена точка зрения, что эффект относится исключительно к сфере интересов теоретической физики. И только в 1997 году предсказанный эффект был продемонстрирован Стивом Ламоро из Университета Вашингтона в Сиэтле. Найденная в этих экспериментах величина силы притяжения совпала с рассчитанной теоретически с погрешностью в 5 %.

Прошло еще десять лет. В настоящее время сила Казимира рассматривается как весьма серьезный фактор, ограничивающий прогресс в области нанотехнологий. Предполагается, что на масштабах от 10 до 300 нанометров именно эффект Казимира ответственен за так называемое статическое трение, препятствующее движению отдельных компонентов в микроэлектромеханических устройствах. В некотором смысле сила Казимира выполняет роль универсального клея. Проблема усложняется из-за того, что на этих масштабах проявляют себя и вполне классические эффекты, связанные с поверхностным натяжением и вандерваальсовыми силами.

Механизм возникновения силы Казимира описывается следующим образом. С точки зрения квантовой механики, вакуум «наполнен» непрерывными флуктуациями разных физических полей, среди которых особое место занимает электромагнитное поле — в первую очередь из-за своей относительно большой интенсивности. Наличие двух проводящих пластин вносит изменения в распределение флуктуаций электромагнитного поля в пространстве. В конечном итоге из-за этого между пластинами и возникает сила притяжения.

Можно объяснить эффект Казимира и на языке виртуальных частиц, рождение которых «из вакуума» соответствует флуктуациям электромагнитного поля; в пространстве, ограниченном пластинами, виртуальных частиц рождается меньше, нежели за их пределами. Соответственно и давление частиц на внешнюю поверхность пластин будет превышать их давление на внутреннюю поверхность. Разницу между этими давлениями мы наблюдаем в виде эффекта Казимира.

До недавнего времени эффект Казимира воспринимался как фундаментальный эффект квантовой механики, и существование силы притяжения на нанометровых масштабах казалось неизбежным. «Сила Казимира так же неотвратима, как смерть и налоги», — это высказывание принадлежит физику Роберту Джаффе из Массачусетсского технологического института. Федерико Капассо, профессор прикладной физики из Гарвардского университета, именно эффект Казимира считает основной причиной, по которой микроэлектромеханические устройства не удалось миниатюризировать до той же степени, что и компьютерные чипы.

Неудивительно, что информация об успехах в «борьбе» с эффектом Казимира привлекает внимание научных журналистов. Так, по сообщениям журнала New Scientist, совсем недавно в ряде экспериментов удалось добиться уменьшения силы Казимира; появились даже предположения, что ее удастся превратить из притягивающей в отталкивающую. В качестве весьма существенного рассматривается при этом тот факт, что значение силы Казимира изменяется с изменением формы взаимодействующих тел.

В исследованиях группы физиков под руководством Хо Бун Чена из Университета Флориды была модифицирована методика изучения эффекта Казимира, в соответствии с которой измерялось взаимодействие шарика и пластины с золотыми покрытиями. Экспериментаторы заменили пластину с гладкой поверхностью и золотым покрытием на кремниевую, на которую методом травления нанесли бороздки. В результате сила притяжения пластины и шарика (сила Казимира) действительно уменьшилась, причем коэффициентом уменьшения можно было управлять, изменяя расположение бороздок на поверхности кремниевой пластины.

Некоторые физики убеждены, что силу Казимира можно существенно уменьшить или даже изменить на противоположную, если погрузить взаимодействующие элементы в жидкость. В 2007 году Федерико Капассо и его аспирант Джереми Манди измерили силу Казимира, возникающую между покрытыми золотом шариком и пластинкой, в том случае, когда и шарик, и пластинка помещались в смесь этанола и йодида натрия. Численное значение силы Казимира оказалось в пять раз меньше, чем для той же конфигурации взаимодействующих элементов в условиях вакуума.

Обратим внимание, что оба весьма важных результата получены физиками-экспериментаторами. Судя по всему, на нынешнем этапе развития нанотехнологий эксперимент действительно обгоняет теорию. Теоретикам же пока удалось показать, что во всех рассчитанных до настоящего времени конфигурациях сила Казимира является силой притяжения. Однако доказательств того, что эта ситуация является универсальной и эффект Казимира следует считать законом природы, нет. А следовательно, есть надежда, что эволюция нанотехнологических устройств не остановится…