L’effetto Casimir si manifesta come una piccola forza attrattiva che agisce tra due lamelle piane metalliche non cariche, vicine e parallele. Questo effetto è stato predetto nel 1948 dal fisico olandese Hendrick Casimir e verificato sperimentalmente dopo circa cinquant’anni.
Per molto tempo l’effetto Casimir ha rappresentato poco più di una curiosità, ma in anni recenti ha ricevuto una crescente attenzione nell’ambito delle nanotecnologie. Esso rappresenta la prova sperimentale di quell’energia del vuoto invocata dai cosmologi per spiegare l’accelerazione dell’espansione dell’universo inaspettatamente scoperta negli ultimi anni.
L’effetto Casimir è dovuto alle fluttuazioni nel vuoto del campo elettromagnetico. In fisica classica lo spazio vuoto rappresenta una sorta di contenitore inerte in cui nulla può accadere. Nella meccanica quantistica, invece, il vuoto non è vuoto! Esso contiene un “ribollire” di particelle elementari — elettroni, antielettroni, fotoni, ecc. — che vengono create dal nulla e rapidamente tornano al nulla, annichilendosi ognuna con la propria antiparticella.
Per distinguerle dalle particelle reali, queste evanescenti particelle del vuoto quantico vengono dette virtuali. Come un gas esercita una pressione sulle pareti del recipiente che lo contiene, tramite l’incessante bombardamento delle pareti da parte delle molecole che lo compongono, così le particelle virtuali esercitano una pressione sulle pareti di una superficie posta nel vuoto. Essendo il bombardamento (la pressione) uguale su entrambe le facce, l’effetto netto di questo fenomeno è nullo. Se però si pongono due lamelle una di fronte all’altra si opera una selezione, per cui nello spazio tra le due lamelle solo determinate particelle di fissata energia possono essere create, mentre nello spazio esterno il vuoto continua a “produrre” particelle di ogni energia.
Le lamelle vengono dunque bombardate sulle loro facce esterne da molte più particelle che non sulle facce interne. Questo squilibrio si esplicita in una forza che tende ad avvicinare le lamelle. Tale forza generata dal “nulla” viene appunto detta forza di Casimir.
Il ruolo dell’effetto Casimir
L’effetto Casimir gioca un ruolo importante in diversi campi della fisica, dalla meccanica quantistica alla fisica dello stato condensato, alla fisica atomica, anche se è plausibile pensare che l’effetto Casimir abbia importanza solo nell’astratto panorama della fisica teorica più avanzata, in realtà esso comincia ad avere effetti pratici nel campo delle nanotecnologie. Dal momento che la forza di Casimir risulta essere quella più importante a queste scale, essa deve essere tenuta in considerazione nella progettazione dei nanostrumenti e pone un serio limite al numero di componenti che possono essere “stipati” insieme.
Un nuovo chip di silicio realizzato da ricercatori della Hong Kong University of Science and Technology e Princeton University è ad un passo dallo sfruttamento della forza di Casimir. Utilizzando un gruppo intelligente di dimensione micron inciso nelle piastre, i ricercatori hanno dimostrato che le piastre si respingono quando vengono avvicinate. Costruire questo dispositivo interamente su un unico chip di silicio potrebbe aprire la strada all’utilizzo della forza Casimir per applicazioni pratiche come mantenere attaccate piccole parti della macchina. Il lavoro è stato pubblicato nel numero di febbraio della rivista Nature Photonics.
“Questa è tra le prime verifiche sperimentali dell’effetto Casimir su un chip di silicio“, ha detto Alejandro Rodriguez, un assistente professore di ingegneria elettrica alla Princeton University, che ha fornito i calcoli teorici per il dispositivo, realizzato da un team guidato da Ho Bun Chan della Hong Kong University of Science and Technology. “E permette anche di eseguire misurazioni di forze in strutture molto banali come queste che causano la repulsione.”
La struttura di silicio presenta due piastre rivestite con denti che si fronteggiano attraverso uno spazio molto piccolo che è largo circa 100 nanometri. (Un capello umano è spesso da 60.000 a 80.000 nanometri). Poiché le due piastre sono così vicine, si esplicita la forza di Casimir. Questo effetto repulsivo avviene senza alcun apporto di energia e in apparenza, nel vuoto. Queste caratteristiche vengono chiamate “energia di punto zero“. In precedenza si era pienamente convinti che la forza di Casimir non potesse esistere perché ciò avrebbe implicato una sorta di moto perpetuo, impossibile secondo le leggi della fisica.
La squadra ha dimostrato che è possibile costruire un dispositivo in silicio per controllare la forza Casimir. “Il nostro studio mostra che è possibile controllare la forza di Casimir utilizzando strutture di forme complesse, su misura“, ha detto Ho Bun Chan, autore senior dello studio. Infatti la sua squadra ha ripreso il lavoro di Rodriguez del 2008, dove proponeva l’uso forme geometriche ad alto rendimento per ottenere una forza Casimir sia attrattiva che repulsiva. Il gruppo di Rodriguez ha anche usato tecniche nanofotoniche, per rilevare come la luce avrebbe interagito con le strutture, per arrivare alle complesse equazioni di come la forza viene prodotta dall’interazione delle due piastre.
Il dispositivo di silicio includeva una piccola molla meccanica che i ricercatori hanno usato per misurare la forza tra le due piastre, e verificare che la forza quantistica può essere repulsiva. I denti di silicio a forma di T approssimativamente sono ciò che permette alla forza repulsiva di formarsi. La repulsione deriva dal modo in cui interagiscono diverse parti della superficie con la superficie opposta. “Abbiamo cercato di pensare a quali tipi di forme il gruppo di Chan avrebbe dovuto realizzare per portare ad una significativa forza repulsiva, così abbiamo fatto alcuni studi e calcoli di base per assicurarci che fossero misurabili“, ha concluso Rodriguez .
Andando avanti, i ricercatori prevedono di esplorare altre configurazioni che possano dare origine a forze repulsive ancora più grandi e repulsione meglio definita a separazioni più grandi.
Articolo Nature Photonics: Measurement of non-monotonic Casimir forces between silicon nanostructures
