Gli ingegneri svelano il primo chip Casimir che sfrutta l'energia del vuoto

Uno degli effetti più strani che derivano dalla natura quantistica dell'universo è la forza di Casimir. Questo spinge insieme due piastre conduttrici parallele quando si trovano a poche dozzine di nanometri l'una dall'altra.

A questo tipo di scale, la forza di Casimir può dominare e gli ingegneri sono ben consapevoli dei suoi effetti indesiderati. Uno dei motivi per cui le macchine microelettromeccaniche non hanno mai raggiunto la loro promessa originale è l'attrito che le forze di Casimir possono generare.

D'altra parte, molti ingegneri sperano di sfruttare la forza di Casimir. Vari modelli teorici prevedono che la forza dovrebbe essere repulsiva tra oggetti di determinate forme, un fenomeno che potrebbe impedire l'attrito.

Ma c'è un problema: gli esperimenti con la forza di Casimir sono estremamente difficili da fare. Un rompicapo è che nessuno ha perfezionato la tecnologia per posizionare accuratamente diversi oggetti con uno spazio su scala nanometrica. Un altro è che gli oggetti microscopici tendono a deformarsi e piegarsi; qualsiasi ondulazione su una superficie piana può cambiare drasticamente la quantità di forza Casimir tra di loro e persino la sua direzione. Ciò rende i risultati sperimentali difficili da interpretare.

Oggi, Jie Zou dell'Università della Florida e alcuni amici fanno un grande passo avanti per cambiare questa situazione. Questi ragazzi hanno ricavato un singolo dispositivo di silicio in grado di misurare la forza di Casimir tra una coppia di fasci di silicio paralleli, il primo dispositivo su chip in grado di farlo.

Il dispositivo è costituito da una trave fissa e una mobile fissata ad un attuatore elettromeccanico. Il team inizia misurando la separazione tra loro utilizzando un microscopio elettronico a scansione. Quindi applicano una tensione all'attuatore, che spinge la trave mobile verso la trave fissa.

I raggi oscillano ad una frequenza naturale, che Zou e compagni possono facilmente misurare. Tuttavia, questa frequenza dipende dalle forze sui raggi. Quindi, quando i raggi si avvicinano e le forze di Casimir cambiano, anche la frequenza di oscillazione cambia. Questo è il modo in cui Zou e compagni misurano la forza.

Naturalmente, ci sono anche altre forze in gioco qui, come le forze elettrostatiche residue. Quando Zou e co tengono conto di questi, i loro risultati corrispondono più o meno esattamente alle previsioni teoriche per la forza di Casimir che dovrebbero generare travi di questa forma.

Il dispositivo risolve una serie di problemi. Innanzitutto, poiché entrambi i fasci di silicio sono realizzati nella stessa fase litografica, le distorsioni indesiderate non rappresentano un problema significativo. E anche il posizionamento è più facile da controllare poiché i raggi e l'attuatore fanno tutti parte dello stesso dispositivo e quindi richiedono molta meno calibrazione e allineamento. Infine, ci sono le misurazioni stesse che sono più semplici da eseguire su un singolo chip rispetto agli esperimenti precedenti.

Tutto questo rappresenta un significativo passo avanti. Quella che questi ragazzi hanno costruito è la prima macchina on-chip che sfrutta la forza di Casimir generata da una specifica configurazione geometrica.

La grande promessa di tutto questo è che dovrebbero essere possibili anche altre forme. Questo schema apre la possibilità di personalizzare la forza di Casimir utilizzando componenti litograficamente definiti di forme non convenzionali, affermano Zou e co.

Quindi, invece di essere ostacolata dalle forze incontrollabili di Casimir, la prossima generazione di dispositivi microelettromeccanici dovrebbe essere in grado di sfruttarle, forse per realizzare cuscinetti, molle e persino attuatori senza attrito.

Tempi entusiasmanti per micro e nano macchine.

Rif: arxiv.org/abs/1207.6163 : Forze di Casimir dipendenti dalla geometria su un chip di silicio

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