Thursday, 21 Mar 2019

La coppia di Casimir: misurata per la prima volta una forza minuscola

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

Se messi insieme in un vuoto inferiore al diametro di un batterio (un micron), due pezzi di metallo si attraggono. Questo è chiamato effetto CasimirLa coppia Casimir – un fenomeno correlato causato dagli stessi effetti elettromagnetici quantistici che attraggono i materiali – spinge i materiali in una rotazione. Poiché è un effetto così minuscolo, la coppia di Casimir è stata difficile da studiare. Il gruppo di ricerca, che comprende membri dei dipartimenti dell’UMD di ingegneria elettrica e informatica e fisica e Istituto per la ricerca in elettronica e fisica applicata, ha costruito un apparato per misurarne la forza e ha pubblicato i risultati nel numero del 20 dicembre della rivista Nature .

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 leader della ricerca. “Per i display LCD, ad esempio, sappiamo come creare cristalli liquidi contorti, ma non sappiamo davvero perché si distorcono. Il nostro studio dimostra che la coppia Casimir è un 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 poi osservato come le torsioni del cristallo liquido corrispondano all’asse cristallino del solido.

Il team ha usato cristalli liquidi perché sono molto sensibili alle forze esterne e possono distorcere la luce che li attraversa. Sotto il microscopio, ogni pixel dell’immagine è chiaro o scuro a seconda di quanto è contorto lo strato di cristalli liquidi. Nell’esperimento, un lieve cambiamento nella luminosità di uno strato di cristalli liquidi ha permesso al team di ricerca di caratterizzare la torsione del  e la coppia che lo ha causato.

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

Pensa a qualsiasi macchina che richiede una coppia o una torsione da trasmettere: alberi cardanici, motori, ecc.” Ha detto Munday. “La coppia di Casimir può farlo su scala nanometrica.”

Conoscere la quantità di coppia Casimir in un sistema può anche aiutare i ricercatori a capire i movimenti delle parti in nanoscala alimentate dall’effetto Casimir. Il team ha testato alcuni tipi diversi di solidi per misurare le loro coppie Casimir e ha scoperto che ogni materiale ha una propria firma unica della coppia Casimir.

I dispositivi di misurazione sono stati costruiti nel Fab Lab dell’UMD, una struttura utente condivisa e strumenti di alloggiamento per camere bianche per realizzare dispositivi su scala nanometrica.

In passato, i ricercatori effettuarono le prime misurazioni di una forza di Casimir repulsiva e una misurazione della forza di Casimir tra due sfere. Hanno anche fatto delle previsioni che potrebbero essere confermate se l’attuale tecnica di misurazione sarà perfezionata; Munday riporta che sta testando altri materiali per controllare e adattare la coppia.

Munday è professore associato di  elettrica e  presso la scuola di ingegneria A. James Clark dell’UMD, e il suo laboratorio è ospitato nell’Istituto di ricerca UMD per l’elettronica e la fisica applicata, che consente la ricerca interdisciplinare tra la sua scienza naturale e le facoltà di ingegneria.

Esperimenti come questo ci stanno aiutando a comprendere e controllare meglio il vuoto quantistico, è ciò che si potrebbe chiamare ‘la fisica dello spazio vuoto’, che dopo un esame più attento sembra non essere poi così vuoto,” ha spiegato John Gillaspy, il responsabile del programma di fisica che ha supervisionato il finanziamento NSF della ricerca.

Classicamente, il vuoto è davvero vuoto – è, per definizione, l’assenza di qualsiasi cosa“, ha detto Gillaspy. “Ma la fisica quantistica prevede che anche lo spazio più vuoto che si possa immaginare sia pieno di particelle e campi virtuali, fluttuazioni quantistiche in puro vuoto che portano a effetti sottili, ma molto reali, che possono essere misurati e persino sfruttati per fare cose che altrimenti sarebbero impossibili: l’universo contiene molte cose complicate, eppure ci sono ancora domande senza risposta su alcuni dei fenomeni più semplici e fondamentali – questa ricerca potrebbe aiutarci a trovare alcune di queste risposte“.

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