Американские исследователи впервые провели прецизионные измерения сил Казимира, действующих между двумя различными металлами. "Побочным" результатом таких экспериментов стало получение более жестких ограничений силу на возможно существующих неньютоновских гравитационных взаимодействий, действующих на малых расстояниях.

Рис.1. Схема установки для измерения казимировских сил притяжения между разнородными металлами. На вставке показана упрощенная электрическая схема, использованная для статических измерений (прецизионные измерения были динамическими).

Эффект Казимира связан с изменением спектра нулевых колебаний при появлении определенных граничных условий (конечности объема квантования). Более пятидесяти лет назад Казимир показал, что вследствие существования флуктуаций электромагнитного поля две параллельные незаряженные проводящие пластины, помещенные в вакуум, будут притягиваться. Несмотря на то, что это притяжение достаточно мало и проявляется лишь на малых расстояниях (порядка микрона), эффект Казимира может иметь определенные последствия для практических приложений, например, существенно затруднить развитие микромеханики. С точки же зрения фундаментальной науки (помимо важности этого эффекта самого по себе) существование сил Казимира может затруднить поиск новых гравитационных взаиможействий, действующих на малых расстояниях (см. заметку про "атаку на экзотическую гравитацию"). Все эти причины обуславливают большой интерес к исследованию эффекта Казимира на новом уровне как в теоретическом (см. новости от 22.06.02 и 25.07.02), так и в экспериментальном отношении (см. новости от 11.11.01 и 07.02.02).

Хотя первоначально была рассмотрена задача о параллельных платинах, более удобным оказалось измерять притяжение между металлической сферой и плоскостью (рис. 1): при кажущейся идейной простоте возникает множество проблем, связанных с необходимостью прецизионного контроля не только расстояния между пластинами (сила притяжения обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между пластинами), но и параллельности пластин, их электронейтральности и т.д. (конечно, были выполнены эксперименты и в той, и в другой конфигурации - они описаны в упомянутых выше новостях, посвященных экспериментам). До сих пор аккуратные измерения сил Казимира проводились только для случая использования сфер и платин из одного металла, но недавно американские ученые провели прецизионные измерения сил Казимира, действующих между различными металлами (золотом и медью) [1].

В их экспериментах исследовалось влияние присутствия металлической сферы на поведение микроэлектромеханического осциллятора (крутильного маятника), который представлял собой закрепленную на двух пружинках кремниевую пластину размером 500 x 500 мкм² и толщиной 3 мкм, края которой были покрыты слоем меди толщиной 200 нм (схема экспериментальной установки показана на рис. 1). Сфера, закрепленная на оптоволокне, представляла собой шарик из Al₂O₃ диаметром 600 мкм, покрытый слоем золота толщиной 200 нм. Под пластиной (на расстоянии двух микрон) были расположены два электрода, что давало возможность измерять емкость между ними и пластиной. При приближении сферы к пластине вследствие взаимодействия между сферой и платиной, обусловленного наличием электрического заряда или силами Казимира, пластина отклонялась от горизонтального положения на определенный угол, и это отклонение можно было зафиксировать по изменению емкости двух кондесаторов, образованных двумя электродами и пластиной. Для того, чтобы исключить электростатическое взаимодействие между сферой и пластиной, исследователи подавали определенное напряжение (оно компенсировало разность потенциалов, возникающую из-за различия работы выхода для разных металлов).

Рис.2. a - зависимость силы Казимира от расстояния между сферой и пластиной; b - разница между экспериментальными данными и теоретической кривой.

Ученые провели с помошью вышеописанной схемы измерения сил Казимира при расстояниях между сферой и платиной в диапазоне от 0.2 до 1.2 мкм (рис.2). Однако точность таких статических измерений относительно невысока, и для высокоточного определения силы Казимира ученые провели динамические измерения. Подавая переменное напряжение на электроды, исследователи вызывали крутильные колебания платины небольшой амлитуды. Присутствие металлической сферы приводило к изменению резонансной частоты колебаний, величина которого определялась силами Казимира (подробнее см. в упомянутой выше новости). Измерение зависимости резонансной частоты от расстояния между сферой и пластиной позволило показать, что экспериментально измеренная величина силы Казимира совпадает с теоретически предсказанной в пределах порядка 1 %.

Таким образом, американским ученым удалось повысить точность измерения силы Казимира, действующей между двумя различными металлам, почти в 100 раз по сравнению с предыдущими экспериментами. Достигнута столь высокая точность измерения, что расхождение между теоретически предсказанной и экспериментально измеренной величиной сил Казимира превышает точность эксперимента, так что встает вопрос о необходимости аккуратной характеризации оптических свойств образцов, используемых в эксперименте. Это позволяет установить новый предел на величину неньютоновских гравитационных сил, возможно действующих на малых расстояниях, уже сейчас, и существенно продвинуться в направлении исследования "экзотической гравитации") в ближайшем будущем.

1. R.S.Decca, D.Lopez, E.Fischnach, and D.E.Krause. Phys.Rev.Lett., v.91, 050402 (2003).

Е.Онищенко