Впервые на практике показан эффект квантовой плавучести

Экзотические силы отталкивания, работающие в наномасштабе, удалось обнаружить и измерить группе исследователей из США. Данное явление, предсказанное в теории ещё полвека назад, является зеркальным антиподом давно известного эффекта Казимира.

Начать необходимо с эффекта Казимира. Напомним, что из-за квантовых флуктуаций — постоянного рождения и исчезновения в вакууме "виртуальных частиц" — между двумя близкорасположенными телами возникает слабое притяжение. Эффект этот давно подтверждён экспериментально.

В 1961 году российские теоретики подсчитали, что в определённых обстоятельствах эффект Казимира может, напротив, притягивать объекты друг к другу. И вот теперь впервые это было показано в ходе опыта.

Группа американских учёных поместила позолоченную бусинку (диаметром в половину человеческого волоса) над тонкой пластинкой из кварца. В обычной ситуации сила Казимира должна была бы притягивать эти тела друг к другу, но заполнение пространства бромбензеном в корне изменило ситуацию.

Сила притяжения Казимира между пластиной и бромбензеном была больше, чем между пластиной и микросферой. Потому жидкость усиленно втягивалась в зазор между шариком и пластиной (последний составлял 20-100 нанометров, уточняет PhysOrg.com) и выталкивала шарик наверх.

Можно было бы сказать, что микросфера это просто всплывала, но сила Архимеда тут ни при чём: бусинка была плотнее жидкости и должна была бы тонуть! Так что своеобразную левитацию обеспечивала именно сила Казимира, хотя и опосредованно, через давление жидкости. Потому учёные прозвали данное явление квантовой плавучестью (на картинке под заголовком эта часть опыта показана слева).

Подъёмная сила в данном опыте составила несколько десятков пиконьютонов. С учётом размеров объектов — не так уж мало.

Интересно, что если пластину покрывали золотом — левитация исчезала. Дело в том, что для двух идентичных материалов сила Казимира (притяжения) особенно велика и в таком случае уже бромбензен не может сыграть свою выталкивающую роль (на картинке этот вариант эксперимента показан на заднем плане справа).

Один из авторов работы, гарвардский физик Федерико Капассо (Federico Capasso), утверждает, что квантовая плавучесть может пригодиться для организации "смазки" деталей наномашин будущего. В частности, так можно построить нанокомпас — крошечные плавающие стрелки — для выявления очень слабых магнитных полей.