I ricercatori dell'Università del Maryland hanno misurato per la prima volta un effetto previsto più di 40 anni fa, chiamato la coppia di Casimir.

Quando messi insieme in un vuoto a meno del diametro di un batterio (un micron) di distanza, due pezzi di metallo si attraggono. Questo è chiamato effetto Casimir. La coppia di Casimir, un fenomeno correlato causato dagli stessi effetti elettromagnetici quantistici che attraggono i materiali, spinge i materiali in una rotazione. Perché è un effetto così piccolo, la coppia di Casimir è stata difficile da studiare. Il gruppo di ricerca, che comprende membri dei dipartimenti di ingegneria elettrica e informatica e fisica dell'UMD e dell'Istituto per la ricerca in elettronica e fisica applicata, ha costruito un apparato per misurare la previsione decennale di questo fenomeno e ha pubblicato i suoi risultati nel numero del 20 dicembre della rivista Natura .

"Questa è una situazione interessante in cui l'industria utilizza qualcosa perché funziona, ma il meccanismo non è ben compreso, " ha detto Jeremy Munday, il capofila della ricerca. "Per i display LCD, Per esempio, sappiamo creare cristalli liquidi contorti, ma non sappiamo davvero perché si attorcigliano. Il nostro studio dimostra che la coppia di Casimir è una componente cruciale dell'allineamento dei cristalli liquidi. È il primo a quantificare il contributo dell'effetto Casimir, ma non è il primo a dimostrare che contribuisce."

Il dispositivo posiziona un cristallo liquido a poche decine di nanometri da un cristallo solido. Con un microscopio polarizzatore, i ricercatori hanno quindi osservato come il cristallo liquido si attorciglia per adattarsi all'asse cristallino del solido.

Il team ha utilizzato cristalli liquidi perché sono molto sensibili alle forze esterne e possono distorcere la luce che li attraversa. Al microscopio, ogni pixel dell'immagine è chiaro o scuro a seconda di quanto è attorcigliato lo strato di cristalli liquidi. Nell'esperimento, un leggero cambiamento nella luminosità di uno strato di cristalli liquidi ha permesso al team di ricerca di caratterizzare la torsione dei cristalli liquidi e la coppia che l'ha causata.

L'effetto Casimir potrebbe far muovere parti su scala nanometrica e può essere utilizzato per inventare nuovi dispositivi su scala nanometrica, come attuatori o motori.

"Pensa a qualsiasi macchina che richieda una coppia o una torsione per essere trasmessa:alberi di trasmissione, motori, eccetera., " ha detto Munday. "La coppia Casimir può farlo su scala nanometrica."

Conoscere la quantità di coppia Casimir in un sistema può anche aiutare i ricercatori a comprendere i movimenti delle parti su nanoscala alimentate dall'effetto Casimir.

Il team ha testato alcuni diversi tipi di solidi per misurare le coppie di Casimir, e ha scoperto che ogni materiale ha la sua firma unica della coppia Casimir.

I dispositivi di misurazione sono stati costruiti nel Fab Lab di UMD, una struttura utente condivisa e strumenti di alloggiamento in camera bianca per realizzare dispositivi su scala nanometrica.

Nel passato, i ricercatori hanno anche effettuato le prime misurazioni di una forza repulsiva di Casimir e una misurazione della forza di Casimir tra due sfere. Hanno anche fatto alcune previsioni che potrebbero essere confermate se l'attuale tecnica di misurazione può essere affinata; Munday riferisce che stanno testando altri materiali per controllare e adattare la coppia.

Munday è professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso la A. James Clark School of Engineering di UMD, e il suo laboratorio è ospitato nell'Istituto per la ricerca in elettronica e fisica applicata dell'UMD, che consente la ricerca interdisciplinare tra le sue facoltà di scienze naturali e di ingegneria.

"Esperimenti come questo ci stanno aiutando a capire e controllare meglio il vuoto quantistico. È quello che si potrebbe chiamare 'la fisica dello spazio vuoto, ' che a un esame più attento sembra non essere poi così vuoto, "ha detto John Gillaspy, l'ufficiale del programma di fisica che ha supervisionato il finanziamento della ricerca da parte dell'NSF.

"Classicamente, il vuoto è veramente vuoto - è, per definizione, l'assenza di qualcosa, " ha detto Gillaspy. "Ma la fisica quantistica prevede che anche lo spazio più vuoto che si possa immaginare è pieno di particelle e campi 'virtuali', fluttuazioni quantistiche nel vuoto puro che portano a sottili, ma molto reale, effetti che possono essere misurati e persino sfruttati per fare cose altrimenti impossibili. L'universo contiene molte cose complicate, eppure ci sono ancora domande senza risposta su alcune delle più semplici, fenomeni più fondamentali:questa ricerca può aiutarci a trovare alcune delle risposte".