De manipulatie van Casimirkrachten met behulp van artificieel gestructureerde metamaterialen

Het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg is één van de hoekstenen van de kwantummechanica. Kort door de bocht stelt het onzekerheidsbeginsel dat er bepaalde grootheden bestaan die je niet tegelijkertijd met absolute zekerheid kan meten. Het bekendste duo grootheden die aan deze onzekerheidsrelatie voldoen zijn de positie en de bewegingshoeveelheid – het product van de massa en de snelheid – van een kwantumdeeltje. Wil je met andere woorden de positie van een deeltje met heel grote nauwkeurigheid bepalen, dan zal je onvermijdelijk moeten inboeten op nauwkeurig van diens bewegingshoeveelheid.

Virtuele deeltjes in het vacuüm

Een tweede stel gekoppelde grootheden die aan deze onzekerheidsrelatie voldoen zijn energie en tijd. De toepassing van het onzekerheidsbeginsel op dit koppel grootheden zorgt voor nog méér exotische gevolgen. Stel immers dat je een bepaald systeem voor een heel korte tijd bestudeert om zo een kleine onzekerheid te hebben over de tijd, dan verkrijg je automatisch een grote onzekerheid over de energie van dit systeem. Het bestaan van het vacuüm – een lege ruimte zonder deeltjes en straling – is dus in strijd met het onzekerheidsbeginsel. Immers, onafhankelijk van hoelang je meet, zou de energie van het vacuüm gelijk aan nul zijn – alle onzekerheden overboord.

De oplossing voor deze paradox wordt geboden door virtuele deeltjes. Zelfs in de absolute afwezigheid van straling en materie zullen er steeds virtuele deeltjes bestaan. We noemen dit virtuele deeltjes omdat ze slechts voor een korte tijd ontstaan en dan weer verdwijnen. De energie van deze deeltjes is in overeenstemming met het onzekerheidsbeginsel: hoe hoger de energie, hoe korter ze bestaan.

De Casimirkracht of de kracht van virtuele deeltjes

casimireffect 2 platen

Fuguur 1: Twee metalen platen in vacuüm. Tussen de platen kunnen minder virtuele deeltjes bestaan dan buiten de platen. Door de grotere druk van de deeltjes buiten de platen ontstaat er een netto kracht – de Casimirkracht – die de platen naar elkaar toeduwt.

Het bestaan van deze virtuele deeltjes mag misschien heel theoretisch en exotisch klinken, toch genereren ze belangrijke en meetbare effecten, meer in het bijzonder in de kwantumelektrodynamica (de kwantumbeschrijving van het klassieke elektromagnetisme). De virtuele deeltjes zijn hier virtuele fotonen. Deze virtuele fotonen spelen een bijzondere rol wanneer we twee metalen platen op korte afstand van elkaar plaatsen (zie figuur 1). De metalen platen zorgen er immers voor dat er bepaalde virtuele fotonen niet kunnen bestaan tussen de platen. Als de virtuele fotonen – hun golflengte – “groter” zijn dan de afstand tussen de metalen platen, passen ze er niet tussen, net zoals trillingsgolven met lange golflengte niet kunnen vibreren op een korte gitaarsnaar. In het gebied buiten de platen kunnen echter fotonen bestaan met alle mogelijke golflengten, zonder enige beperking. Er is bijgevolg een grotere hoeveelheid virtuele fotonen in het gebied buiten de twee platen dan het gebied tussen de twee platen. Vermits deze virtuele fotonen een druk uitoefenen op deze platen, en er minder fotonen bestaan tussen de platen, ontstaat er een netto kracht die de platen naar elkaar toe duwt. Dit effect werd voor het eerst theoretisch voorspeld door Hendrik Casimir en Dirk Polder in 1948, en werd ook naar hen vernoemd (de Casimirkracht of ook de Casimir-Polder kracht) maar het duurde verschillende decennia vooraleer er een experimentele waarneming mogelijk werd.

Figuur 2: Hoewel de casimirkrachten verwaarloosbaar zijn op macroscopische afstanden, kunnen ze nadelige effecten veroorzaken voor nanoschaal componenten, vermits ze bewegelijke onderdelen aan elkaar vastkleven. Bron: http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1256302

In macroscopische structuren is de Casimirkracht immers bijzonder klein en mag deze zonder meer verwaarloosd worden. In de snel groeiende wereld van de nanotechnologie, daarentegen, worden er momenteel minuscule metallische structuren gemaakt waarbij de Casimirkrachten een bijzonder nadelig effect opleveren. Op dit niveau merkt men immers dat de Casimirkrachten alle bewegelijke metallische componenten tegen elkaar duwen, zodat deze met elkaar versmelten en onbruikbaar worden. Deze druk, uitgeoefend door virtuele fotonen, is momenteel één van de struikelblokken die de ontwikkeling van geminiaturiseerde bewegende onderdelen verhindert (zie figuur 2).

Artificiële metamaterialen die de Casimirkrachten beïnvloeden

Momenteel onderzoeken we aan de VUB, in samenwerking met de groep van Prof. Capasso van Harvard University, hoe we deze Casimirkrachten – en meer algemeen alle elektromagnetische krachten — beter onder controle kunnen krijgen. Hiervoor willen we gebruik maken van nieuwe, artificiële materialen, waarvan de elektromagnetische eigenschappen door ons zelf ontworpen worden. Dit soort materialen noemt men metamaterialen (zie figuur 3).

Figuur 3: Metamaterialen zijn materialen waarbij de elektromagnetische eigenschappen bepaald worden door zeer kleine elektrische eenheidscellen (met afmetingen veel kleiner dan de golflengte van het licht).

Figuur 4: Bepaalde artificiële materialen zouden in staat kunnen zijn om het Casimireffect om te draaien en een kwantumlevitatie te veroorzaken. Bron: Munday, J. N., Capasso, F. & Parsegian, V. A. Nature 457, 170–173 (2009).

Theoretisch gezien zou het mogelijk zijn om met deze materialen de Casimirkrachten te verkleinen of zelfs het effect van de Casimirkrachten om te draaien: met andere woorden, er een repulsieve kracht van maken in plaats van een attractieve. Dit is momenteel een actief onderzoeksdomein, op de grens tussen de kwantumfysica, de chemie en de nanotechnologie, met nog vele open vraagstukken. In dat opzicht is het een ultiem doel om zeer kleine objecten te laten zweven boven elkaar, aangedreven door de mysterieuze virtuele deeltjes die voortdurend in de lege ruimte ontstaan. (men noemt dit fluctuaties in de kwantumvelden) (zie figuur 4).

Over de auteur

vincentVincent Ginis

Vincent Ginis is FWO-postdoctoraal onderzoeker aan de Vrije Universiteit Brussel in de Applied Physics Research Group en werkt momenteel in de groep van Prof. Capasso aan Harvard University. Hij is gefascineerd door de wereld van licht en bestudeert op een interdisciplinaire manier de wisselwerking tussen licht en nanogestructureerde materialen.