Квантовые силы впервые использованы для автоматической сборки микроскопического устройства

Изображение золотого устройства и сил, действующих между двумя пластинами. © Бетюль Кючюкёз и др. В новом исследовании, недавно опубликованном в журнале Science Advances, ученые представили микроскопическое золотое устройство, улавливающее свет. В процессе сборки устройства они использовали две природные силы/явления, действующие на квантовом уровне: электростатическую силу и эффект Казимира. Эффект Казимира — это явление, которое возникает, […]

Изображение золотого устройства и сил, действующих между двумя пластинами. © Бетюль Кючюкёз и др.

В новом исследовании, недавно опубликованном в журнале Science Advances, ученые представили микроскопическое золотое устройство, улавливающее свет. В процессе сборки устройства они использовали две природные силы/явления, действующие на квантовом уровне: электростатическую силу и эффект Казимира.

Эффект Казимира — это явление, которое возникает, когда две нейтральные (то есть электрически незаряженные) пластины помещаются очень близко друг к другу в почти идеальном вакууме. Хендрик Казимир, открывший его в 1948 году, объясняет, что эти поверхности притягиваются друг к другу из-за флуктуаций квантовых полей, присутствующих в разделяющем их вакууме. Этот «вакуум» содержит временные флуктуации, в которых частицы и античастицы быстро появляются и исчезают, порождая силы, воздействующие на физические объекты. Следует отметить, что сила притяжения в эффекте Казимира очень слабая, ощутимая лишь в микроскопических масштабах.

В новом исследовании ученые из Технологического университета Чалмерса в Швеции нашли способ использовать это явление. Они использовали эффект Казимира для автоматической сборки микроскопической структуры. Таким образом, им не нужно было физически манипулировать компонентами устройства на определенных этапах сборки.

Полость для улавливания света

Бетюль Кючюкёз, руководитель исследования, и его коллеги создали своего рода маленькую золотую полость для улавливания света. Устройство состоит из двух крошечных треугольных золотых пластин, расположенных параллельно, между которыми свет отражается, но не может легко выйти. Такое ограничение света может быть использовано для усиления определенных оптических свойств или для удержания света в небольшом пространстве.

Для создания устройства исследователи использовали исходную золотую пластину размером от 4 до 10 микрон. Она служит нижней стенкой полости. Затем она крепится к куску стекла. Вторая стенка закрепляется не вручную, а с помощью эффекта Казимира и электростатической силы.

Эффект Казимира и электростатическая сила

Чтобы создать другую треугольную стенку полости, исследователи погрузили первую пластину, напечатанную на стекле, в соленую воду, в которую были погружены другие золотые пластины. Электрические заряды в растворе создавали электростатические силы, которые могли влиять на положение свободных пластин и манипулировать ими. Движение этих элементов также было вызвано эффектом Казимира, который, как утверждают ученые, они наблюдали под микроскопом.

Две силы — эффект Казимира и электростатическая сила — в конце концов привели в движение свободную пластину, после чего выровнялись параллельно над первой, закрепленной на стекле. Однако по мнению ученых, в сборке устройства могли участвовать и другие неопределенные силы.

Кючюкёз и его команда утверждают, что этот метод может позволить слегка варьировать размер полости. Расстояние между двумя стенками может составлять от 100 до 200 нанометров. Для создания вариаций достаточно изменить концентрацию соли в растворе, чтобы изменить интенсивность электростатической силы. По словам исследователей, между двумя параллельными пластинами также можно помещать предметы, но это потребует дальнейших исследований, которые команда намерена провести.