Ottenere qualcosa dal nulla sembra un buon affare, così per anni gli scienziati hanno cercato di sfruttare la piccola quantità di energia che sorge quando gli oggetti vengono avvicinati molto tra loro. È una fonte di energia così oscura che un tempo veniva derisa come una fonte fantasiosa di "moto perpetuo". Ora, un gruppo di ricerca che include scienziati di Princeton ha trovato un modo per imbrigliare una misteriosa forza di repulsione, che è un aspetto di quella forza.

Questa energia, predetto settant'anni fa dallo scienziato olandese Hendrik Casimir, nasce da effetti quantistici e può essere visto sperimentalmente ponendo due piastre contrapposte molto vicine l'una all'altra nel vuoto. A distanza ravvicinata, i piatti si respingono, che potrebbe essere utile a determinate tecnologie. Fino a poco tempo fa, però, sfruttare questa "forza di Casimir" per fare qualcosa di utile sembrava impossibile.

Un nuovo chip di silicio costruito dai ricercatori della Hong Kong University of Science and Technology e della Princeton University è un passo avanti verso lo sfruttamento della forza di Casimir. Utilizzando un assemblaggio intelligente di forme di dimensioni micron incise nelle lastre, i ricercatori hanno dimostrato che le placche si respingono quando vengono avvicinate. La costruzione di questo dispositivo interamente con un singolo chip di silicio potrebbe aprire la strada all'utilizzo della forza di Casimir per applicazioni pratiche come impedire che minuscole parti di macchine si attacchino l'una all'altra. Il lavoro è stato pubblicato nel numero di febbraio della rivista Fotonica della natura .

Energia di un vuoto

"Questa è tra le prime verifiche sperimentali dell'effetto Casimir su un chip di silicio, " ha detto Alejandro Rodriguez, un assistente professore di ingegneria elettrica presso la Princeton University, che ha fornito calcoli teorici per il dispositivo, che è stato costruito da un team guidato da Ho Bun Chan presso la Hong Kong University of Science and Technology. "E ti permette anche di effettuare misurazioni di forze in strutture molto non banali come queste che causano repulsione. È un doppio smacco".

La struttura del silicio assomiglia a due piastre rivestite di denti che si fronteggiano attraverso un minuscolo spazio largo solo circa 100 nanometri. (Un capello umano è 60, 000-80, 000 nanometri di larghezza.) Quando le due piastre vengono avvicinate l'una all'altra, la forza di Casimir entra in gioco e li allontana.

Questo effetto ripugnante avviene senza alcun apporto di energia e, a quanto pare, nel vuoto. Queste caratteristiche hanno portato questa energia ad essere chiamata "energia di punto zero". Hanno anche alimentato le precedenti affermazioni secondo cui la forza di Casimir non poteva esistere perché la sua esistenza implicherebbe una sorta di moto perpetuo, che sarebbe impossibile secondo le leggi della fisica.

La forza, che da allora è stata sperimentalmente confermata l'esistenza, nasce dalle normali fluttuazioni quantistiche dei pochi atomi che persistono nell'abisso nonostante l'evacuazione di tutta l'aria.

Il team ha dimostrato che è possibile costruire un dispositivo in silicio per controllare la forza di Casimir.

"Il nostro documento mostra che è possibile controllare la forza di Casimir usando strutture complesse, forme su misura, " ha detto Ho Bun Chan, autore senior dell'articolo e scienziato presso la Hong Kong University of Science and Technology. Il suo team ha attinto a un precedente lavoro di Rodriguez pubblicato nel 2008 che proponeva forme che avrebbero prodotto una forza di Casimir in grado sia di attrarre che di respingere. "Questo documento è la realizzazione sperimentale utilizzando una struttura ispirata al design di Rodriguez, " disse Chan.

Rodriguez e il suo team a Princeton hanno sviluppato tecniche che hanno permesso ai ricercatori di calcolare le interazioni tra due piastre parallele mentre si avvicinano l'una all'altra. Con questi strumenti, sono stati quindi in grado di esplorare cosa sarebbe successo se fossero state utilizzate geometrie più complesse. Ciò ha portato ad alcune delle prime previsioni di una forza repulsiva Casimir nel 2008.

Il gruppo Rodriguez ha utilizzato tecniche nanofotoniche, che ha comportato la misurazione di come la luce avrebbe interagito con le strutture, per arrivare alle complesse equazioni di come la forza nasce dall'interazione di due piastre.

Il dispositivo al silicio includeva una piccola molla meccanica che i ricercatori hanno usato per misurare la forza tra le due piastre, e verificare che la forza quantistica possa essere repulsiva. I denti in silicone approssimativamente a forma di T sono ciò che consente la formazione della forza repulsiva. La repulsione deriva da come le diverse parti della superficie interagiscono con la superficie opposta.

"Abbiamo provato a pensare a che tipo di forme il gruppo di Chan avrebbe dovuto fabbricare per portare a una significativa forza repulsiva, quindi abbiamo fatto alcuni studi e calcoli di base per assicurarci che vedessero abbastanza non-monotonicità da essere misurabili, " ha detto Rodriguez.

Andando avanti, i ricercatori hanno in programma di esplorare altre configurazioni che potrebbero dare origine a forze repulsive ancora più grandi e una repulsione più ben definita a separazioni più grandi.