I ricercatori del MIT trovano un modo per calcolare gli effetti delle forze di Casimir, offrendo una
tecnica per evitare che le parti delle micromacchine si incollino assieme
di Larry Hardesty, MIT News Office
Scoperte nel 1948, le forze di Casimir sono forze quantistiche complicate che influiscono sugli
oggetti molto ravvicinati. Sono così sottili che per la maggior parte dei 60 anni da quando sono
state scoperte, gli ingegneri le hanno ignorate. Però nell’era dei piccolissimi dispositivi
elettromeccanici come gli accelerometri nell’iPhone o i microspecchi nei proiettori digitali, le
forze di Casimir divengono un problema, dato che possono far incollare le parti in movimento delle
micromacchine.
I ricercatori del MIT hanno sviluppato un nuovo potente strumento per calcolare gli effetti delle
forze di Casimir, con ramificazioni sia per la fisica di base che per la progettazione dei sistemi
microelettromeccanici (MEMS). Una delle scoperte più recenti dei ricercatori tramite il nuovo
strumento, è stato un metodo per disporre piccolissimi oggetti evitando che le forze di Casimir
solitamente attrattive, divengano respingenti. Se gli ingegneri possono progettare le MEMS in modo
che le forze di Casimir evitino che le parti in movimento si attacchino assieme, invece che esserne
la causa, questo potrebbe ridurre sostanzialmente i fallimenti con le MEMS esistenti. Potrebbe anche
favorire la produzione di nuovi dispositivi MEMS, come minuscoli sensori medici o scientifici o
dispositivi microfluidici che permettano l’esecuzione in parallelo di centinaia di esperimenti
chimici o biologici.
Presenza fantasma
La meccanica quantistica ha lasciato un quadro molto strano dell’universo ai fisici moderni. Una
delle sue caratteristiche sono le particelle subatomiche che balzano dentro e fuori dall’esistenza
con una frequenza quasi irrilevabile. (Il bosone di Higgs, una particella predetta teoricamente che
il Large Hadron Collider in Svizzera cerca di individuare per la prima volta, dovrebbe apparire per
solo pochi sistillioni di secondo). Esistono tantissime di queste particelle di passaggio nello
spazio, persino nel vuoto, che si muovono in così tante direzioni che le forze che esercitano si
bilanciano. In molti casi le particelle possono essere ignorate. Però quando gli oggetti sono molto
ravvicinati, rimane pochissimo spazio perchè possano apparire delle particelle fra essi. Di
conseguenza, ci sono meno particelle transitorie tra gli oggetti che possano compensare le forze
esercitate dalle particelle transitorie attorno ad essi e la differenza di pressione finisce per
spingere gli oggetti uno contro l’altro.
Negli anni ’60, i fisici hanno sviluppato una formula matematica che, in principio, descrive gli
effetti delle forze di Casimir su qualsiasi numero di oggetti minuscoli, con qualsiasi forma. Però
nella maggioranza dei casi, questa formula era enormemente difficile da risolvere. “Le persone
pensano che se hai una formula, allora puoi valutarla. Questo non è vero.”, dice Steven Johnson,
professore associato di matematica applicata, che ha collaborato allo sviluppo dei nuovi strumenti.
“C’era una formula scritta da Einstein per descrivere la gravità. Loro non sanno ancora quali siano
tutte le conseguenze di quella formula.” Per decenni, la formula delle forze di Casimir è rimasta
nella stessa barca. I fisici potevano risolverla solo per pochissimi casi, come quello di due
piastre parallele. Negli anni recenti, i ricercatori nel mondo hanno affrontato il problema del
trovare le forze di Casimir tra forme e materiali più generali. Per esempio, nel 2006, i professori
di fisica del MIT, Robert Jaffe e Mehran Kardar (con cui Johnson continua a collaborare) assieme a
Thorsten Emig dell’Università di Köln in Germania, hanno mostrato come calcolare le forze che
agiscono tra una piastra e un cilindro; l’anno seguente hanno dimostrato delle soluzioni per
multiple sfere. Nel frattempo, Johnson e i suoi collaboratori, hanno esplorato vari metodi numerici
che possono essere applicati ad una vasta gamma di geometrie. Comunque, il pieno potere degli
strumenti esistenti per i calcoli elettromagnetici classici, non era ancora stato applicato al
problema di Casimir.
Il potere dell’analogia
In un documento apparso questa settimana su Proceedings of the National Academy of Sciences,
Johnson, gli studenti di fisica Alexander McCauley e Alejandro Rodriguez (autore principale del
documento) e John Joannopoulos, Francis Wright Davis Professor di Fisica, descrivono un modo per
risolvere le equazioni della forza di Casimir per qualsiasi numero di oggetti, con qualsiasi forma
concepibile.
I ricercatori hanno compreso che gli effetti delle forze di Casimir su oggetti a distanza di 100
nanometri, possono essere precisamente modellati usando oggetti più grandi di 100.000 volte, più
distanti di 100.000 volte, immersi in un fluido che conduce elettricità. Invece di calcolare le
forze esercitate da minuscole particelle che emergono in esistenza attorno agli oggetti
piccolissimi, i ricercatori calcolano la forza di un campo elettromagnetico in vari punti attorno
agli oggetti più grandi. Nel loro documento provano che questi calcoli sono matematicamente
equivalenti.
Per gli oggetti dalla forma strana, calcolare la forza del campo elettromagnetico in un fluido
conduttivo è ancora molto complicato. Però sarà presto fattibile usando il nuovo software.
“Analiticamente”, dice Diego Dalvit, specialista delle forze di Casimir presso il Los Alamos
National Laboratory, “è quasi impossibile fare esatti calcoli della forza di Casimir, a meno che non
hai geometrie molto speciali”. Con la tecnica dei ricercatori del MIT, “in principio, puoi
affrontare qualsiasi geometria. Questo è molto utile. Molto utile.”
Dato che le forze di Casimir possono causare l’attaccamento delle parti mobili delle MEMS, dice
Dalvit, “Uno dei sacri graal nella fisica di Casimir è trovare geometrie per le quali puoi ottenere
la repulsione” piuttosto che l’attrazione. Questo è esattamente quello che le nuove tecniche hanno
permesso ai ricercatori del MIT. In un documento separato pubblicato in Marzo , il fisico Michael
Levin della Society of Fellows (Università di Harvard), assieme ai ricercatori del MIT, ha descritto
la prima disposizione di materiali che permettano alle forze di Casimir di produrre repulsione in un
vuoto.
Dalvit sottolinea che i fisici, usando la nuova tecnica, devono ancora affidarsi all’intuizione
studiando dei sistemi di minuscoli oggetti con proprietà utili. “Quando intuisci quali geometrie
causeranno la repulsione, allora la tecnica può dirti se ci sarà repulsione o no”, dice Dalvit.
Comunque da soli questi strumenti non possono identificare le geometrie che causano repulsione.
11 Maggio 2010
Reprinted with permission of MIT News –
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Fonte: web.mit.edu/newsoffice/2010/casimir-0511.html
Vedi: www.physorg.com/news/2011-06-researchers-create-light-from-almost.html
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