Stanislav Rusak 6.4.2009 CASIMIRIN ILMIÖ
Johdanto Mistä on kyse? Mistä johtuu? Miten havaitaan? Sovelluksia
Casimirin ilmiö Yksinkertaisimmillaan: Kahden tyhjiössä lähekkäin sijaitsevan metallilevyn välille syntyy attraktiivinen voima
Casimirin ilmiö Yleisemmin: Kahden hyvin lähellä toisiaan olevan kappaleen välinen kvanttimekaaninen voima. Voi olla joko attraktiivinen tai repulsiivinen riippuen systeemin geometriasta ja materiaaleista. Makroskooppinen kvantti-ilmiö.
Mistä Casimirin ilmiö johtuu? Casimirin ilmiö johtuu kvantittuneen sähkömagneettisen kentän tyhjiöfluktuaatioista. Klassinen tyhjiö: 0 K, ei hiukkasia, ei kenttiä. Kvanttimekaaninen tyhjiö: monimutkainen rakenne, kenttien tyhjiöfluktuaatioita. Kvanttikenttäteorian mukaan kaikki kentät fluktuoi, eli niiden voimakkuus vaihtelee keskimääräisen arvon läheisyydessä. Näin ollen myös tyhjiössä esiintyy kentän fluktuaatioita.
Mistä Casimirin ilmiö johtuu? Eri taajuiset fluktuaatiot antavat erilaisen kontribuution levyjen välissä ja ulkopuolella Kun levyjen etäisyys on aallonpituuden luokkaa, eri taajuudet joko vahvistavat kenttää ( kaviteetti resonanssi ) tai heikentävät sitä Näin ollen levyjen välissä ja ulkopuolella on erilaiset kentät, mikä ilmenee levyjen välisenä voimana
Yleisempi tarkastelu Tyhjiöllä nollasta poikkeava energian odotusarvo Johtuu kentän kvanttisoinnista (toinen kvanttisointi) Periaatteessa ääretön Uudelleennormitus: vain energian erot fysikaalisesti merkittäviä Käytännön laskut tehdään suhteessa kvanttimekaaniseen tyhjiöön
Casimirin ilmiö Casimirin ilmiössä johdelevyjen (tai muiden kappaleiden) läsnäolo muuttaa tyhjiön energian odotusarvoa Energian muutos riippuu levyjen etäisyydestä (systeemin muodosta) Systeemi pyrkii minimoimaan energiaansa, mikä ilmenee levyjen välisenä voimana
Kokeelliset havainnot Alkuperäinen asettelu (kaksi levyä) on hankalaa toteuttaa koska levyjen täytyy olla hyvin tarkasti yhdensuuntaisia. Kokeet vastaavat teoreettisia arvoja vain 15 % tarkkuudella Helpompi toteuttaa esim. pallon ja levyn avulla koska silloin etäisyys hyvin määritelty.
Kokeelliset havainnot 1997 Lamoreaux: Pallolinssi ja laakea levy optisesta kvartsista päällystetty kuparilla ja kullalla. Skaala: 0.6-6µm Tulokset vastaavat teoreettisia ennusteita 5% tarkkuudella.
Kokeelliset havainnot 1999 Mohideen & Roy: Kullalla päällystetyt polystyreenipallo (halkaisija 200μm ) ja metallilevy Skaala: 0.1-0.9µm Tulokset vastaavat teoreettisia arvoja 1 % tarkkuudella
Kokeelliset havainnot
Kokeelliset havainnot 2000 Ederth: Kaksi kullalla päällystettyä sylinteriä Skaala: 20 100 nm Tarkkuus: 1 %
Kokeelliset havainnot 2009 Munday, Capasso, Parsegian Kullalla päällystetty kuula, SiO₂ levy ja bromobentseeniä väliaineena Repulsiivinen voima
Mittauksiin vaikuttavia tekijöitä Kappaleet eivät ole täydellisiä johteita. Pintojen epätasaisuudet. Lämpötila: Absoluuttista nollaa korkeammissa lämpötiloissa tyhjiöfluktuaatioiden lisäksi esiintyy lämpöfluktuaatioita.
Lämpötilariippuvuus Casimirin ilmiö 300 K:ssa numeerinen tulos häiriöteoreettinen tulos Casimirin ilmiö 0 K:ssa
Sovelluksia Kvanttikromodynamiikan hadronimallissa ( bag model ). Casimirin ilmiö antaa kontribuution hadronien kokonaisenergiaan. Tiiviin aineen fysiikassa aiheuttaa voimia materiaalien rajapinnoilla. Täytyy ottaa huomioon pintajännityksen ja latentin lämmön tarkasteluissa. Atomifysiikassa aiheuttaa korjauksia Rydberg-tilojen energiaan Kosmologiassa Casimirin ilmiö tulee ilmi epätriviaalissa topologiassa
Sovelluksia Mikro- ja nanoteknologiassa: MEMS-laitteiden ( microelectromechanical system ) ohjaamiseen. Kvanttilevitaatio ja kitkan poistaminen.
Yhteenveto Casimirin ilmiö on kahden hyvin lähellä toisiaan sijaitsevan kappaleen välille syntyvä kvanttimekaaninen voima. Ilmiö johtuu sähkömagneettisen kentän tyhjiöfluktuaatioista. Kappaleiden läsnäolo muuttaa tyhjiön energian odotusarvoa. Casimirin ilmiöllä on käyttöä monessa fysiikan alassa ja sillä voi olla myös käytännöllisiä sovelluksia mm. mikro- ja nanoteknologiassa.