Если ученые из национальной лаборатории Аргона успешно сведут на нет действие эффекта Казимира, то это обещает стать революционным словом в истории наноэлектромеханических систем. (Александр Е. Браун, ведущий редактор Semiconductor International)
В настоящее время ученые Аргоннской национальной лаборатории (Argonne National Laboratory (ANL), США) работают над тем, как «обуздать» эффект Казимира, квантовомеханической силы, возникающей между объектами на расстоянии нескольких нанометров, которая препятствует созданию наноэлектромеханических систем (НЭМС). НЭМС могут найти свое применение в таких областях науки и техники, как зондирование, телекоммуникации, обработка сигналов, хранение данных и др. Однако на расстояниях порядка нанометра эта сила достаточно сильна, чтобы препятствовать осуществлению контроля за такими устройствами. И если не найти выхода из сложившейся ситуации, может оказаться, что потенциальные возможности НЭМС никогда не будут реализованы.
Предсказанный в 1948 году голландским физиком Хендриком Казимиром (Hendrik B.G. Casimir), эффект основывается на том факте, что в вакууме происходят постоянные колебания (флуктуации), связанные с рождением и исчезновением виртуальных частиц и античастиц. Этот эффект наблюдается между двумя металлическими параллельными пластинами, расстояние между которыми составляет около 100 нм. Такое расстояние накладывает ограничения на диапазон длин волн, разрешенный для этих виртуальных частиц. С уменьшением числа разрешенных длин волн (виртуальных частиц) внутри пространства между пластинами, там падает плотность энергии по сравнению с таковой во внешнем пространстве, где рождение виртуальных частиц ничем не ограничено. В результате, между пластинами создается отрицательное давление, которое притягивает пластины друг к другу. Чем ближе друг к другу поверхности, тем больше диапазон запрещенных длин волн виртуальных частиц, тем больше отрицательное давление, и тем сильнее сила притяжения. На наноуровне она становится доминирующей силой между незаряженными проводниками. В зависимости от геометрии поверхности и других факторов, на расстояниях порядка 10 нм действие эффекта Казимира эквивалентно действию атмосферного давления (101.3 кПа).
Как говорит Даниэль Лопез (Daniel Lopez), который работает над проектом, эффект Казимира – это не просто интересное явление, это проблема. «Когда расстояние между двумя механическими объектами становится меньше 200 нм, сила Казимира становится доминирующей. И если возникает необходимость в проведении некоторых измерений, то на таких расстояниях эта сила не позволяет их провести». Лопез подчеркивает: ученые, работающие над созданием ионных ловушек для квантового компьютера, обнаружили, как близко они находятся тому пределу, когда эффект Казимира играет важную роль. «Силу требует хорошего описания. Если используешь ионные ловушки для квантового компьютера, нужно иметь четкое представление об этой силе, в противном случае, ничего не выйдет».
Цель исследователей – как можно более точно описать действие этой силы, а также ее зависимость от свойств притягивающихся материалов. Это необходимо знать для возможного устранения действия этой силы. Группа ученых из Аргоны получила грант Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) на исследования в области создания таких контролирующих устройств. Эффект Казимира вызывает силу притяжения. А если бы удалось сделать ее силой отталкивания, то появилась бы возможность использовать эту силу для работы наноэлектромеханических устройств. «Это заманчивая идея: используя законы квантовой механики можно перемещать нанообъекты, - говорит Лопез, - а эта сила могла бы стать источником энергии для перемещения таких миниатюрных устройств».
Команда исследователей уже достаточно подробно описала эффект Казимира, и знает, какие свойства компонентов и материалов влияют на него. Существует несколько способов, как можно подчинить себе действие эффекта. Создавая наноструктурные объекты приблизительно по 50 нм в каждом измерении и используя лазерный луч, как источник светового давления, можно определить возможность балансировки силы.
«Изначально эксперимент Казимира состоял в следующем: использовались две металлические параллельные пластины между которыми локализировались фотоны, - рассказывает Лопез, - предположим, на одной из пластин мы формируем некоторый нанорисунок. И теперь у нас есть «чистая» пластина и пластина, на поверхности которой сформирована группа «дорожек» толщиной около 50 нм, которая работает как дифракционная решетка и способна значительно снизить силу Казимира. Если дорожки достаточно толстые, для того, чтобы появились плазмоны, может возникнуть отталкивание. Мы стараемся держать под контролем число фотонов между пластинами и число плазмонов, вызванных сформированным на поверхности рисунком. Это позволит сделать выводы, являются ли наши расчеты верными, и можно ли формируя такие рисунки контролировать эффект Казимира».
Отталкивающая сила Казимира является привлекательной потому, что на сегодняшний день не существует другого способа управлением наноэлектромеханическими устройствами. На расстояниях менее 1 мкм процесс усложняется наличием краевых полей, термоэлектрических эффектов и других осложнений, контролировать которые невозможно. Некоторые ученые считают, что эти исследования могут привести к левитации. «Имея на наноуровне отталкивающую силу, можно заставить объекты, разделенные промежутком около 100 нм, левитировать. Трение уменьшится практически до нуля, - говорит Лопез, добавляя, что пока это всего лишь спекуляции, - однако, если уменьшить трение до такой ничтожной степени, в результате получим устройство, невероятное по своим энергосберегающим характеристикам».
И успех в этом предприятии жизненно важен. Сегодня для контроля над светом в волоконно-оптических кабелях используются миниатюрные зеркала, управляемые электрическим полем. Но размеры зеркал продолжают уменьшаться, и поле, их контролирующее, также требует своего уменьшения. «Представьте зеркало диаметром 100 мкм – большое микроэлектромеханическое устройство, - говорит Лопез, - прикладывая напряжение в 10 В, можно достаточно хорошо контролировать и перемещать это зеркало. Зеркало размером менее 1 мкм контролировать уже не так легко используя электростатические силы. И нужны «новые» силы, чтобы управлять такими устройствами. Исследования ведутся таким образом, чтобы понять, смогут ли силы Казимира выступить в качестве контролирующих сил.
Десять лет тому назад эффект Казимира был академической любопытностью. Сегодня это технологическая проблема: если наноэлектромеханическим устройствам предвещают такое широкое применение в областях науки и техники, нужно научиться контролировать силы, господствующие в наномире.
Квантовая механика стремительно становится квантовой инженерией.
Из Semiconductor International.
