Potresti pensare che una coppia di piastre parallele appese immobili nel vuoto a una frazione di micrometro di distanza l'una dall'altra sarebbe come estranei che passano nella notte, così vicini ma destinati a non incontrarsi mai. Grazie alla meccanica quantistica, ti sbaglieresti.

Gli scienziati che lavorano per progettare macchine su scala nanometrica lo sanno fin troppo bene poiché devono fare i conti con le forze quantistiche e tutte le stranezze che ne derivano. Queste forze quantistiche, in particolare l'effetto Casimir, può creare scompiglio se è necessario evitare che superfici ravvicinate si uniscano.

Il controllo di questi effetti può essere necessario anche per realizzare piccole parti meccaniche che non si attaccano mai tra loro, per la costruzione di alcuni tipi di computer quantistici, e per studiare la gravità alla microscala.

Ora, un grande gruppo di ricerca collaborativa che coinvolge scienziati di numerosi laboratori federali, compreso il National Institute of Standards and Technology (NIST), e importanti università, ha osservato che questi effetti appiccicosi possono essere aumentati o diminuiti modellando una delle superfici con strutture su scala nanometrica. La scoperta, descritto in Comunicazioni sulla natura , apre un nuovo percorso per la messa a punto di questi effetti.

Ma come spesso accade con i fenomeni quantistici, l'opera solleva nuove domande pur rispondendo ad altre.

Una delle intuizioni della meccanica quantistica è che nessuno spazio, nemmeno lo spazio esterno, è sempre veramente vuoto. È pieno di energia sotto forma di fluttuazioni quantistiche, compresi i campi elettromagnetici fluttuanti che apparentemente provengono dal nulla e scompaiono altrettanto velocemente.

Parte di questa energia, però, semplicemente non è in grado di "inserirsi" nello spazio submicrometrico tra una coppia di contatti elettromeccanici. Più energia all'esterno che all'interno si traduce in una sorta di "pressione" chiamata forza di Casimir, che può essere abbastanza potente da unire i contatti e attaccarli.

La teoria prevalente fa un buon lavoro nel descrivere la forza di Casimir tra informe, superfici piane e persino tra le superfici più curve. Però, secondo il ricercatore del NIST e coautore del documento, Vladimir Aksyuk, la teoria esistente non riesce a prevedere le interazioni che hanno osservato nel loro esperimento.

"Nel nostro esperimento, abbiamo misurato l'attrazione di Casimir tra una sfera rivestita d'oro e superfici piatte d'oro modellate con file di periodici, creste piatte, ciascuno meno di 100 nanometri di diametro, separati da spazi un po' più ampi con pareti a strapiombo profonde, " dice Aksyuk. "Volevamo vedere come una superficie metallica nanostrutturata avrebbe influenzato l'interazione di Casimir, che non era mai stato tentato prima con una superficie metallica. Naturalmente, ci aspettavamo che ci sarebbe stata una ridotta attrazione tra la nostra superficie scanalata e la sfera, indipendentemente dalla distanza tra loro, perché la parte superiore della superficie scanalata presenta una superficie totale inferiore e meno materiale. Però, sapevamo che la dipendenza della forza di Casimir dalla forma della superficie non è così semplice".

Infatti, quello che hanno trovato era più complicato.

Secondo Aksyuk, quando aumentavano la distanza tra la superficie della sfera e la superficie scanalata, i ricercatori hanno scoperto che l'attrazione di Casimir è diminuita molto più rapidamente del previsto. Quando spostarono la sfera più lontano, la forza è scesa di un fattore due al di sotto del valore teoricamente previsto. Quando hanno spostato la superficie della sfera vicino alle sommità della cresta, l'attrazione per unità di superficie del colmo è aumentata.

"La teoria può spiegare l'attrazione più forte, ma non per l'indebolimento troppo rapido della forza con l'aumento della separazione, " dice Aksyuk. "Quindi questo è un nuovo territorio, e la comunità dei fisici avrà bisogno di inventare un nuovo modello per descriverlo".