Изготовлена цельная кремниевая платформа для измерения сил Казимира

Американским физикам удалось разместить все элементы, необходимые для измерения сил Казимира, на одной пластине типа «кремний на диэлектрике».

Напомним, что силы Казимира и Ван-дер-Ваальса имеют одну физическую природу и определяют характер взаимодействия электрически нейтральных объектов на малых дистанциях. Первый эксперимент по точному измерению сил Казимира был выполнен в 1997 году. К настоящему моменту объём собранных опытных данных увеличился многократно: учёные сумели зарегистрировать и притягивающие, и отталкивательные силы Казимира, оценить термальные поправки к ним, исследовать несколько вариантов геометрии взаимодействия.

Стандартные измерительные схемы, однако, не лишены недостатков. Экспериментаторам приходится вручную устанавливать и выравнивать взаимодействующие объекты, используя громоздкие позиционирующие устройства и пьезоэлектрические приводы. Один из объектов чаще всего делают сферическим, поскольку выдерживать параллельность двух плоских предметов на малых расстояниях между ними чрезвычайно сложно. Кроме того, в комнатных условиях ширина интервала, который разделяет взаимодействующие элементы, постепенно меняется под влиянием температурных флуктуаций. Поскольку расстояние между элементами и их общей точкой опоры обычно измеряется сантиметрами, флуктуации серьёзно ограничивают длительность измерений и их точность.

Слева вверху показана схема эксперимента, на которой можно найти кремниевую полоску (выделена красным), подвижный электрод, гребенчатый привод и змеевидные пружины. Справа дана общая микрофотография устройства, а ниже — фотографии полоски (c), гребенчатого привода (d) и змеевидной пружины (e). (Иллюстрация авторов работы.)

Пытаясь устранить эти дефекты, американцы разработали универсальную измерительную платформу относительно простой конструкции. На одной пластине типа «кремний на диэлектрике» они разместили 100-микрометровую кремниевую полоску шириной в ~1,42 мкм с сечением, близким к квадратному, и чуть более широкий кремниевый электрод. Геометрия обоих элементов задавалась точным методом электронно-лучевой литографии, что позволяло не беспокоиться о сохранении их параллельности. На миниатюрной платформе был минимизирован и температурный дрейф ширины интервала между электродом и полоской.

Чтобы изменять дистанцию, разделяющую кремниевые объекты, и чётко задавать требуемые значения в пределах 1,82–0,26 мкм, электрод соединили с гребенчатым приводом. В конструкцию последнего входили подвижные зубья, поддерживаемые четырьмя змеевидными пружинами, и набор зубьев, прикреплённых к подложке. При подаче напряжения V_comb подвижные зубья смещались в сторону кремниевой полоски, и расстояние между ней и электродом уменьшалось до тех пор, пока электростатическую силу от V_comb не уравновешивала сила, создаваемая пружинами.

В реальном эксперименте измеряемой величиной стала резонансная частота фундаментальной моды колебаний полоски. Начальное значение этой частоты известно, а с приближением электрода она изменялась пропорционально силе взаимодействия. Чтобы выделить вклад сил Казимира, авторы провели несложную калибровку, в ходе которой между полоской и электродом прикладывалось напряжение V_е, создававшее дополнительную электростатическую силу.

Используя данные калибровки, американская группа вычислила силы Казимира, действующие на разных расстояниях между электродом и полоской. Эти измерения уникальны сами по себе (взаимодействие элементов с почти квадратным сечением никто до сих пор не рассматривал), но главным их результатом стало то, что физики убедились в надёжности новой кремниевой платформы. На ней можно будет провести множество аналогичных экспериментов с объектами самых разных форм.

Подготовлено по материалам arXiv.