Obtener algo de la nada suena como un buen negocio, por eso, durante años, los científicos han intentado explotar la pequeña cantidad de energía que surge cuando los objetos se acercan mucho entre sí. Es una fuente de energía tan oscura que alguna vez fue ridiculizada como una fuente fantasiosa de "movimiento perpetuo". Ahora, un equipo de investigación que incluye a científicos de Princeton ha encontrado una manera de aprovechar una misteriosa fuerza de repulsión, que es un aspecto de esa fuerza.

Esta energía predicho hace siete décadas por el científico holandés Hendrik Casimir, surge de efectos cuánticos y se puede ver experimentalmente colocando dos placas opuestas muy cerca una de la otra en el vacío. De cerca, los platos se repelen, que podría ser útil para determinadas tecnologías. Hasta hace poco, sin embargo, aprovechar esta "fuerza de Casimir" para hacer algo útil parecía imposible.

Un nuevo chip de silicio construido por investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong y la Universidad de Princeton es un paso hacia el aprovechamiento de la fuerza de Casimir. Usando un inteligente conjunto de formas del tamaño de una micra grabadas en las placas, los investigadores demostraron que las placas se repelen cuando se acercan. Construir este dispositivo completamente con un solo chip de silicio podría abrir el camino al uso de la fuerza de Casimir para aplicaciones prácticas, como evitar que las piezas pequeñas de la máquina se peguen entre sí. El trabajo fue publicado en la edición de febrero de la revista Fotónica de la naturaleza .

Energía de un vacío

"Esta es una de las primeras verificaciones experimentales del efecto Casimir en un chip de silicio, "dijo Alejandro Rodríguez, profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad de Princeton, quien proporcionó cálculos teóricos para el dispositivo, que fue construido por un equipo dirigido por Ho Bun Chan en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong. "Y también te permite realizar mediciones de fuerzas en estructuras muy no triviales como estas que causan repulsión. Es un doble golpe".

La estructura de silicio parece dos placas forradas con dientes que se enfrentan entre sí a través de un pequeño espacio que tiene solo unos 100 nanómetros de ancho. (Un cabello humano tiene 60, 000-80, 000 nanómetros de ancho.) A medida que las dos placas se acercan, la fuerza de Casimir entra en juego y los separa.

Este efecto repulsivo ocurre sin ningún aporte de energía y según todas las apariencias, en un aspirador. Estas características llevaron a que esta energía se llamara "energía de punto cero". También alimentaron afirmaciones anteriores de que la fuerza de Casimir no podría existir porque su existencia implicaría algún tipo de movimiento perpetuo, lo que sería imposible según las leyes de la física.

La fuerza, que desde entonces se ha confirmado experimentalmente que existe, surge de las fluctuaciones cuánticas normales de los pocos átomos que persisten en el abismo a pesar de la evacuación de todo el aire.

El equipo demostró que es posible construir un dispositivo en silicio para controlar la fuerza de Casimir.

"Nuestro artículo muestra que es posible controlar la fuerza de Casimir utilizando estructuras de complejo, formas a medida, "dijo Ho Bun Chan, autor principal del artículo y científico de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong. Su equipo se basó en un trabajo anterior de Rodríguez publicado en 2008 que proponía formas que se esperaría que produjeran una fuerza de Casimir que podría atraer y repeler. "Este artículo es la realización experimental utilizando una estructura inspirada en el diseño de Rodríguez, "Dijo Chan.

Rodríguez y su equipo en Princeton desarrollaron técnicas que permitieron a los investigadores calcular las interacciones entre dos placas paralelas a medida que se acercan entre sí. Con estas herramientas Luego pudieron explorar lo que sucedería si se usaran geometrías más complejas. Esto llevó a algunas de las primeras predicciones de una fuerza de Casimir repulsiva en 2008.

El grupo Rodríguez utilizó técnicas nanofotónicas, que implicó medir cómo la luz interactuaría con las estructuras, para llegar a las complejas ecuaciones de cómo surge la fuerza de la interacción de dos placas.

El dispositivo de silicio incluía un pequeño resorte mecánico que los investigadores usaron para medir la fuerza entre las dos placas. y verificar que la fuerza cuántica puede ser repulsiva. Los dientes de silicona en forma de T aproximadamente son los que permiten que se forme la fuerza repulsiva. La repulsión proviene de cómo las diferentes partes de la superficie interactúan con la superficie opuesta.

"Intentamos pensar en qué tipo de formas tendría que fabricar el grupo de Chan para generar una fuerza repulsiva significativa, así que hicimos algunos estudios de antecedentes y cálculos para asegurarnos de que verían suficiente no monotonicidad como para ser medibles, "Dijo Rodríguez.

Avanzando, los investigadores planean explorar otras configuraciones que pueden dar lugar a fuerzas repulsivas aún mayores y una repulsión más bien definida en separaciones más grandes.