Sfruttata la forza del nulla per manipolare oggetti

I fisici hanno creato un dispositivo per manipolare i materiali usando la forza del ... nulla.

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Gli scienziati possono usare alcune forze piuttosto strane per manipolare i materiali. Ci sono pinzette acustiche, che usano la forza della radiazione acustica per controllare piccoli oggetti. Le pinzette ottiche fatte di laser sfruttano la forza della luce. Non contenti di ciò, ora i fisici hanno creato un dispositivo per manipolare i materiali usando la forza del … nulla.

OK, potrebbe essere un po’ semplicistico. Quando diciamo nulla, ci riferiamo in realtà alla forza di attrazione che nasce tra due superfici nel vuoto, nota come effetto Casimir. La nuova ricerca ha fornito non solo un modo per usarla per la manipolazione di oggetti senza contatto, ma anche per misurarla.

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Le implicazioni abbracciano più campi, dalla chimica all’astronomia delle onde gravitazionali fino a qualcosa di fondamentale e onnipresente come la metrologia: la scienza della misurazione.

Se è possibile misurare e manipolare la forza di Casimir sugli oggetti, allora acquisiremo la capacità di migliorare la sensibilità alla forza e ridurre le perdite meccaniche, con il potenziale di avere un forte impatto su scienza e tecnologia“, ha spiegato il fisico Michael Tobar dell’Università dell’Australia occidentale.

La forza Casimir fu prevista per la prima volta nel 1948 dal fisico teorico olandese Hendrik Casimir, e infine dimostrata entro i suoi valori predetti nel 1997.

Ma, da allora, ha suscitato molto più interesse, non solo per se stesso, ma per come potrebbe essere utilizzato in altre aree di ricerca.

Ciò che Casimir predisse era che esiste una forza attrattiva tra due piastre conduttrici nel vuoto, a causa dei contrasti nelle fluttuazioni quantistiche nel campo elettromagnetico.

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Per capire questo, abbiamo bisogno di approfondire la stranezza della fisica quantistica. In realtà un vuoto perfetto non esiste – anche nello spazio vuoto a temperatura zero, particelle virtuali, come i fotoni, oscillano dentro e fuori dall’esistenza“, ha detto Tobar.

Queste fluttuazioni interagiscono con gli oggetti posti nel vuoto e in realtà aumentano di grandezza all’aumentare della temperatura, causando una forza misurabile dal ‘nulla’ – altrimenti nota come forza di Casimir“.

L’esperimento del team si è svolto a temperatura ambiente. È stato utilizzato un minuscolo involucro metallico progettato per limitare alcuni tipi di radiazioni elettromagnetiche, denominato cavità rientrante a microonde.

Separata da questa cavità da uno spazio di circa un micrometro una membrana di nitruro di silicio rivestita di metallo che fungeva da molla Casimir.

Applicando una forza elettrostatica, il team è stato in grado di controllare il gap con squisita precisione. Questo, a sua volta, ha permesso loro di manipolare la membrana con la forza di Casimir che si è prodotta quando il divario era sufficientemente piccolo.

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A causa della forza di Casimir tra gli oggetti, la membrana metallica, che si è flessa avanti e indietro, ha avuto le sue oscillazioni a molla notevolmente modificate ed è stata utilizzata per manipolare le proprietà della membrana e del sistema di cavità rientrante“, Ha detto Tobar.

Ciò ha consentito ordini di grandezza di miglioramento nella sensibilità alla forza e nella capacità di controllare lo stato meccanico della membrana“.

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Ma il controllo del divario ha anche permesso ai ricercatori di misurare la forza. Quando il divario è aumenato, la forza Casimir si è indebolita, fino a raggiungere un punto in cui non agiva più sulla membrana. Studiando le modifiche alla membrana, il team potrebbe generare misurazioni di alta precisione.

È un nuovo modo di misurare il nulla, sebbene altri metodi abbiano utilizzato materiali minuscoli in rapido movimento per ottenere una presa sulla forza esercitata dalle variazioni in campi quantistici altrimenti vuoti.

La tecnica qui presentata ha un alto potenziale per creare schemi e dispositivi aggiuntivi manipolando la forza termica di Casimir“, hanno scritto i ricercatori nel loro articolo.

Ad esempio, si potrebbero costruire dispositivi agili programmabili ‘ in situ ‘, progettati per manipolare strutture modali e migliorare le perdite del risonatore secondo necessità a temperatura ambiente, compreso lo sviluppo e la manipolazione di oscillatori meccanici topologici“.

La ricerca è stata pubblicata su Nature Physics .