Una forza termica Casimir dovuta all’energia termica

In una recente ricerca è stata creata una forza debole, la forza di Casimir, che, applicata agli oggetti, ne permette la manipolazione con enormi riduzioni di perdite

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Una forza termica Casimir dovuta all'energia termica
Una forza termica Casimir dovuta all'energia termica

Una ricerca, svolta congiuntamente da ricercatori della University of Western Australia e della University of California e pubblicata recentemente su Nature Physics, ha fornito un nuovo metodo per misurare delle forze deboli e utilizzarle per controllare oggetti.

Lo studio, intitolato Casimir spring and dilution in macroscopic cavity optomechanics dimostra un modo per realizzare una molla Casimir e una diluizione ingegneristica in optomeccanica macroscopica, accoppiando una membrana SiN metallica a una cavità rientrante fotonica. L’attrazione della molla Casimir localizzata nello spazio imita una condizione al contorno senza contatto, dando origine a una maggiore deformazione e coerenza acustica attraverso la diluizione della dissipazione.

Forza di Casimir, energia di punto zero e forza termica di Casimir

La forza di Casimir fu prevista nel 1948 come una forza che sorge tra corpi macroscopici dall’energia del punto zero. A temperature finite, è stato dimostrato che esiste una forza termica Casimir dovuta all’energia termica piuttosto che al punto zero e vi è un numero crescente di esperimenti che caratterizzano l’effetto a una gamma di temperature e distanze. Inoltre, nel campo in rapida evoluzione dell’optomeccanica delle cavità, c’è uno sforzo per manipolare i fononi e migliorare la coerenza.

Il coordinatore della ricerca, prof. Michael Tobar, afferma che il risultato ottenuto mette a disposizione un nuovo modo per manipolare e controllare oggetti macroscopici, senza ricorrere al contatto, consentendo quindi una maggiore sensibilità, senza aggiungere perdite.

La forza debole, oggetto dello studio, è nota come forza di Casimir, e, dopo essere stata per lungo tempo considerata solo da un punto di vista teorico, oggi riscuote sempre più interesse in diversi campi, tra cui la metrologia (la scienza della misura) e il rilevamento.

Lo stesso prof. Tobar aggiunge che, “se si riuscisse a misurare e gestire la forza di Casimir sugli oggetti, si acquisirebbe una maggiore capacità di migliorare la sensibilità della forza, con la conseguente riduzione delle perdite meccaniche, e quindi con la possibilità di avere un forte impatto sulla scienza e sulla tecnologia”.

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Per comprendere pienamente questo effetto, è necessario addentrarsi nelle “stranezze” della fisica quantistica. Nella realtà, il vuoto perfetto non esiste – anche in uno spazio vuoto, allo zero assoluto, particelle virtuali, come i fononi, manifestano la loro esistenza.

Queste fluttuazioni interagiscono con gli oggetti posti nel vuoto e, di fatto, la loro intensità cresce al crescere della temperatura, dando origine, dal “nulla”, a una forza misurabile – meglio nota appunto come la forza di Casimir.

Ciò è utile perché viviamo a temperatura ambiente. È stato dimostrato che è possibile utilizzare questa forza per fare cose interessanti. Ma per utilizzare questa forza, è necessario sviluppare una tecnologia di precisione, che appunto permetta di controllare e manipolare gli oggetti con questa forza.

Nello studio effettuato, i ricercatori sono riusciti a misurare la forza di Casimir e a manipolare gli oggetti, grazie a una cavità fotonica di precisione a microonde, denominata cavità rientrante, a temperatura ambiente, utilizzando un sistema formato da una sottile membrana metallica separata dalla cavità rientrante, controllata fino alla larghezza di un granello di polvere.

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La forza di Casimir esistente tra gli oggetti ha determinato una sostanziale modifica delle oscillazioni della membrana metallica, che si fletteva avanti e indietro, ed è stata utilizzata per manipolare, univocamente, le proprietà della membrana e del sistema a cavità rientrante.

In questo modo è stato possibile migliorare, di diversi ordini di grandezza, la sensibilità della forza e la capacità di controllare lo stato meccanico della membrana.