Запропоновано метод посилення міжатомних сил взаємодії, пов'язаних з квантовими флуктуаціями вакууму.
Флуктуації вакууму, мабуть, одне з найбільш суперечать здоровому глузду явищ квантової фізики. Воно полягає в тому, що вакуум зовсім не так порожній, як можна подумати. Насправді, це «порожній простір» являє собою киплячий суп з народжуваних і гинучих різних віртуальних частинок і античастинок. Це явище і отримало назву «флуктуації вакууму». Термін флуктуація означає випадкове відхилення від середнього значення.
Якщо ви знаходитеся на вулиці, то навряд чи перед вами з порожнечі виникне автомобіль, а потім також несподівано зникне. Якщо ваш автомобіль і зникне з місця паркування, то не за рахунок флуктуацій вакууму. Об'єкти макроміру не зникають і не з'являються, порушуючи закон збереження енергії. У світі квантової фізики, однак, все трохи складніше. Згідно з принципом невизначеності Гейзенберга, на дуже короткий час можуть народжуватися частинки, що отримали назву віртуальних. Чим вища їхня енергія, тим швидше вони зникнуть. Як правило, такі надзвичайно короткоживучі частинки залишаються абсолютно непомітними, але в деяких випадках породжувані ними «вакуумні» сили можуть давати помітний ефект, який може бути вимірений.
Серед віртуальних частинок є переносники електромагнітної взаємодії - фотони. Народження і загибель віртуальних фотонів породжує флуктуації електричного поля, які поляризують нейтральні атоми і молекули, роблячи їх електричними діполями, що може призвести до сил тяжіння між ними. Ці сили отримали ім'я Ван-дер-Ваальса, який встановив наявність подібних сил в газах. З ними частково пов'язана здатність ящірки геккона підніматися плоскими поверхнями.
Ще одним прикладом «вакуумних» сил є знаменитий ефект Казимира. Фізик Гендрік Казимир розрахував 1948 року, що два паралельні дзеркали в порожньому просторі притягуватимуть один одного завдяки тому, що вони впливають на вакуум навколо них. Вся справа в тому, що між поверхнями будуть народжуватися тільки фотони з резонансними довжинами хвиль, ціле або напівціле число разів укладаються між поверхнями. Завдяки цьому фотонів між пластинами буде народжуватися менше, ніж зовні, де їх народження нічим не обмежене. В результаті тиск зовнішніх віртуальних фотонів буде більше внутрішніх, і виникне сила тяжіння дзеркал.
Два близьких атома також можуть змінити локальний вакуум навколо них. Якщо один з них випускає віртуальні фотони, які майже миттєво поглинаються іншим, то це призведе до виникнення сили між ними. Але, як правило, такі сили непостійні через те, що такий фотон може бути викинутий в будь-якому напрямку, і шанси другого атома поглинути його дуже малі. Тому їх дуже важко виміряти.
Але ситуація зміниться, якщо віртуальній частці допоможуть знайти потрібний шлях. Міжнародний колектив фізиків розрахував, що відбувається з «вакуумними» силами між атомами, коли вони знаходяться в безпосередній близькості від стандартної електричної лінії передачі, такої як коаксіальний кабель або копланарний хвилевод (див. малюнок), охолодженої до дуже низьких температур. У цьому випадку коливання ефективно обмежуються одним напрямком. Віртуальні частинки будуть змушені йти в напрямку іншого атома. При цьому має відбутися зростання величини сили на кілька порядків і збільшення радіусу її дії. Вона тепер буде вбивати зі збільшенням відстані між атомами (r) пропорційно 1/r3 замість 1/r7, як у звичайному випадку.
Дослідники вважають, що запропоноване ними підвищення потужності флуктуацій вакууму може мати далекосяжні наслідки для розуміння сил Казимира і Ван-дер-Ваальса. Можливо, це явище знайде застосування в мікроелектромеханічних системах, додатках для квантової обробки інформації та інших нових квантових технологіях.
Крім двох ізраїльських фізиків з Інституту імені Вейцмана (Реховот, Ізраїль) в команду дослідників входить представник Фізико-технічного інституту імені А.Ф. Іоффе РАН, який в даний час працює у Віденському технологічному університеті, Ігор Мазець. Результати своєї роботи вони опублікували в Працях Національної академії наук США.
За матеріалами Віденського технологічного університету