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 ( http://web.mit.edu/newsoffice/2010/casimir-0511.html )
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 http://web.mit.edu/~alexrod7/www/papers/LevinMc10.pdf , 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 – http://web.mit.edu/newsoffice/
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Fonte: http://web.mit.edu/newsoffice/2010/casimir-0511.html
Vedi: http://www.physorg.com/news/2011-06-researchers-create-light-from-almost.html https://www.altrogiornale.org/news.php?item.6635.1