(Phys.org) - Desde la primera demostración de sistemas microelectromecánicos (MEMS) a mediados de los 80, la tecnología no ha demostrado ser tan útil como se anticipó originalmente. Uno de los problemas es que los componentes diminutos tienden a pegarse debido a las fuertes fuerzas de adhesión de la superficie en la nanoescala, un efecto que los ingenieros llaman "stiction". Ahora, en un nuevo estudio, Los científicos sugieren que este problema podría resolverse induciendo la levitación cuántica entre componentes, lo cual demuestran simplemente agregando una fina capa metálica a una de las superficies que interactúan.

El equipo de investigadores, de instituciones en Noruega, Australia, y Suecia, ha publicado el estudio sobre levitación cuántica entre nano superficies en un número reciente de Letras de física aplicada .

Lo extraño de esta levitación es que proviene de la fuerza Casimir-Lifshitz, que tiene la propiedad inusual de ser atractivo o repulsivo. Como un tipo de fuerza de van der Waals, surge entre partículas cercanas debido a sus propiedades eléctricas inherentes.

En este estudio, los científicos observaron la fuerza de Casimir-Lifshitz que se produce entre dos superficies de sílice en un líquido (bromobenceno o tolueno). Normalmente, esta fuerza es atractiva, pero se debilita a medida que las partículas de sílice se separan más. Este debilitamiento se llama retraso, y los investigadores descubrieron que podían disminuir la distancia a la que se produce el retraso al recubrir una capa ultrafina de oro en una de las superficies de sílice.

Esta pequeña modificación desplaza el régimen de retardo de una distancia de separación de varios nanómetros a unos pocos nanómetros modificando las propiedades dieléctricas de la superficie de sílice revestida. De hecho, el retardo debilita tanto la atracción que la fuerza se vuelve repulsiva cuando las superficies están separadas por unos pocos nanómetros o más, a una distancia crítica llamada distancia de levitación. Por debajo de la distancia de levitación, la fuerza vuelve a ser atractiva, mientras que por encima de esta distancia se vuelve cada vez más repulsivo hasta un punto máximo. A distancias aún mayores, la repulsión se estabiliza por debajo del valor máximo.

La capacidad de controlar la fuerza de Casimir-Lifshitz no es completamente nueva. Los científicos conocen estos efectos teóricamente desde la década de 1970, pero solo los avances recientes en nanotecnología han permitido investigaciones experimentales.

“La interacción entre dos objetos de sílice en tolueno es atractiva, ”Dijo el coautor Bo Sernelius de la Universidad de Linköping en Suecia Phys.org . "Estudios anteriores han demostrado que, si uno de los objetos es reemplazado por un objeto de oro macizo, la interacción se vuelve repulsiva para distancias más allá de la distancia de levitación. Por lo tanto, existe una barrera potencial que reduce la posibilidad de que los objetos se acerquen y se peguen entre sí. Nosotros encontramos, y esto es nuevo que si en lugar de tener un objeto de oro macizo tuviéramos un objeto de sílice con una fina capa de oro, la distancia de levitación se redujo y la barrera se hizo más alta. La posibilidad de prevenir la fricción aumentó considerablemente ".

Al prevenir la fricción, La levitación cuántica puede ofrecer una forma de evitar que las superficies utilizadas en MEMS y sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) choquen entre sí debido a otras fuerzas atractivas de van der Waals que existen entre ellos. Dado que el espesor de la nanocapa cambia las propiedades dieléctricas de las superficies que interactúan, los investigadores tendrían que determinar con precisión el grosor correcto para una distancia de levitación deseada. Si la técnica funciona, puede proporcionar una revitalización muy necesaria de los campos de MEMS y NEMS.

En el futuro, los investigadores planean extender sus investigaciones a otros materiales, como el óxido de zinc y la hafnia, que son ampliamente utilizados en dispositivos microeléctricos y microópticos. También tienen un próximo artículo (arxiv.org/abs/1206.4852v1) en el que investigan las fuerzas repulsivas y atractivas entre átomos de cesio excitados que están confinados en un nanocanal, que son muy diferentes a los del espacio libre.

“Dos átomos de cesio que están muy juntos y en un estado excitado pueden formar moléculas inusualmente grandes cuando se encuentran entre dos superficies de oro, ”Explicó el coautor Mathias Bostrom de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología en Trondheim, Noruega, y la Universidad Nacional de Australia en Canberra, Australia. “Los efectos del retardo para estas interacciones de estado excitado entre átomos son muy similares a los que encontramos para la fuerza de Casimir-Lifshitz entre una superficie de sílice recubierta de oro y una superficie de sílice en tolueno. Por lo tanto, encontramos una atracción de largo alcance que une a los átomos y una repulsión de corto alcance que permite estados ligados (evitando que los átomos choquen entre sí, es decir., formando moléculas supergrandes) ".

Finalmente, los investigadores planean investigar más a fondo cómo se puede usar la levitación cuántica para los sistemas NEMS al observar los efectos anisotrópicos, que son las diferentes propiedades que surgen cuando son paralelas o perpendiculares a la interfaz del material.

“Nuestros colegas en Oslo (el profesor Clas Persson de la Universidad de Oslo y su equipo) han calculado las propiedades ópticas reales de los materiales (la función dieléctrica) para láminas delgadas de oro que se utilizarán para investigar cómo los efectos anisotrópicos pueden influir en los sistemas NEMS con nano revestimientos de oro. Es probable que el rango con fuerzas repulsivas (que evitan que el sistema se bloquee) se vea influenciado en tales cálculos mejorados. Nuestro objetivo es hacer esos cálculos este otoño ".

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