Физика
Новости физики
Новости науки 11.11.01 Микромеханика перед лицом серьезных трудностей
Современные технологии неотвратимо движутся в сторону миниатюризации. движущиеся микроустройства микронных размеров уже становятся частью сегодняшнего дня. Пока что темпы миниатюризации ограничиваются чисто инженерными проблемами. Однако когда эти технологии выйдут на субмикронный уровень, перед создателями микромашин встанут гораздо более серьезные и фундаментальные трудности — трудности, вызванные влиянием квантовых флуктуаций вакуума на работу этих устройств.
Источником досадных "помех" является знаменитый эффект Казимира. Дело в том, что даже в отсутствии каких-либо частиц, в физическом вакууме происходят непрекращающиеся флуктуации различных квантовых полей, в том числе и электромагнитного поля. Если мы поместим в вакуум два незаряженных проводника, то они своим присутствием исказят эти флуктуации, что приведет к возникновению силы между проводниками.
Вычисления (подтвержденные, впрочем, экспериментом), например, для случая взаимного притяжения металлической сферы и плоскости показывают, что сила притяжения обратно пропорциональна кубу расстояния между сферой и плоскостью. Поэтому для макроскопических тел, а точнее, для макроскопических расстояний между поверхностями двух тел, сила Казимира незаметна, но если это расстояние составляет микроны и нанометры, эффект Казимира становится стопроцентно важен.
Рис.1 Крутильный маятник микронных размеров.
Наглядный пример того, насколько существенным может быть влияние
эффекта Казимира на работу микромеханизмов, был дан исследовательской
группой из Bell Laboratories, Lucent Technologies в статьях [
Микроустройство, на характеристики которого оказывали влияние силы Казимира, в обеих работах представляло собой прямоугольную пластину, свободно положенную на два тонких провода (Рис.1a, b). Пластина могла наклоняться в обе стороны относительно проводов, образуя таким образом крутильный маятник с небольшой амплитудой. Непосредственно под обоими крыльями пластины были расположены два электрода. Подавая на один из электродов переменное или постоянное напряжение, можно было приводить маятник в движение, а путем измерения электроемкости между.вторым электродом и пластиной можно было определять угол ее отклонения.
Дополнительное же возмущение, вызываемое эффектом Казимира, привносилось в систему с помощью проводящей сферы, расположенной на некотором расстоянии от одного из крыльев верхней пластины (Рис.2).
В первой из цитированных выше работ исследователи убедились в том, что воздействие сил Казимира сказывается на статических свойствах системы. Уменьшая расстояние от сферы до пластины, исследователи наблюдали быстро растущую крутящую силу, которую определяли через равновесный угол отклонения маятника. Зависимость этой силы от расстояния совпадала с зависимостью сил Казимира и существенно отличалась от поведения возможных сил электростатического взаимодействия. Таким образом, авторы экспериментально показали, что положение равновесия микромеханизма зависит и от того, как расположены в пространстве вокруг него другие элементы микроконструкции.
Рис.2 Угол отклонения, вызванного влиянием сил Казимира, как функция расстояния от сферы до пластины. На вставке: геометрия эксперимента.
Во второй работе авторы подвергли исследованию влияние эффекта Казимира на динамические характеристики крутильного маятника. Подавая на управляющий электрод переменный потенциал, они снимали величину амплитуды как функцию частоты вынуждающей силы. В отсутствии возмущающей сферы, эта зависимость имела очень четкий симметричный резонансный профиль с максимумом при 2753.47 Гц (собственная частота колебания пластины). Заметим,что симметричный профиль резонансной кривой отвечает гармоническим колебаниям системы.
В присутствии же сферы, эффект Казимира вносил ангармоничную поправку. На Рис.3 проиллюстрировано, как типичная сила Казимира искажает профиль потенциальной энергии для простого гармонического осциллятора. Как следствие этого эффекта, резонансная частота осцилляций смещалась, и кроме того наблюдалась четко выраженная нелинейность колебаний.
Рис.3 Ангармонические добавки к потенциалу, вызванные эффектом Казимира.
На Рис.4 представлено несколько резонансных кривых. Пики I, II, III и IV отвечают расстояниям от сферы до пластины 3.3 мкм, 141 нм, 116.5 нм и 98 нм соответственно. Видно, что зазор в 100 нм приводит к почти процентному уменьшению резонансной частоты микромаятника.
Более серьезным является четко заметный на кривых III и IV гистерезис — явление, характерное для сильно ангармонических колебаний. Это означает, что в динамике системы возникают некое подобие "памяти", так что приходится делать вывод, что сам характер колебаний меняется под действием сил Казимира.
Рис.4 Профиль резонансных кривых при различных расстояниях от пластины до сферы.
Давайте вдумаемся, что же получается. Мы пытаемся создать какое-либо микромеханизм, в котором отдельные части не мешали друг другу двигаться, никак бы не взаимодействовали. Мы для этого устраняем всяческие паразитные электростатические силы, создаем между движущимися частями глубокий вакуум, дабы избежать трения. Но все это напрасно — как бы мы не старались, отдельные детали механизма все равно притягиваются, влияют на движение друг друга за счет неустранимой силы Казимира!
Если в первой из двух работ авторы пытались найти силам Казимира конструктивную роль и предлагали использовать их для своего рода безконтактных механических приводов, то во второй работе они приходят к выводу, что эффект Казимира играет скорее роль неустранимой и плохо вычисляемой помехи. Действительно, из их работ следует, что в механизмах размерами в доли микрона движение любой детали будет чувствовать состояние всей системы. О гармонических колебаниях в таких системах придется забыть, и предварительный теоретической расчет сколько-нибудь сложной системы станет попросту невозможным.
На самом деле, и это еще не все. Существует подозрение, что тот же эффект Казимира — но только в своей динамической форме — может приводить к возникновению диссипативных сил между движущимися проводниками! Если окажется, что и этот эффект важен для будущих микро- и наноустройств, то, по-видимому, светлое нанобудущее, которое, казалось, вот-вот наступит, отодвинется на неопределенный срок.
2i.SU ©R 2015