Levitación de una nanoplaca de oro sobre teflón gracias a la fuerza de Casimir repulsiva

Por Francisco R. Villatoro, el 10 junio, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science ✎ 6

La fuerza de Casimir entre dos placas metálicas es siempre atractiva, incluso hasta que ambas contactan. ¿Qué pasa si ponemos un dieléctrico entre ambas placas? Se publica en Science que al introducir teflón entre dos placas de oro la fuerza atractiva de Casimir se vuelve repulsiva a pequeña distancia. Así se crea un pozo de potencial que permite que una placa de oro hexagonal sumergida en etanol puede levitar sobre el sustrato de teflón sobre oro. Esta técnica de levitación en la nanoescala pude tener aplicaciones en nanomáquinas sin contactos, sensores de fuerzas ultrasensibles y manipuladores en la nanoescala.

Recuerda que en 1948 Hendrik Casimir predijo que el vacío electromagnético entre dos placas paralelas sin carga y perfectamente conductoras induce una fuerza atractiva entre ellas. El origen es que en el vacío entre placas no pueden excitarse ondas electromagnéticas (fotones virtuales) con longitud de onda mayor que la distancia entre placas, que sí pueden encontrarse en el vacío sin placas; por tanto, la energía del vacío entre placas es menor que la energía del vacío; como esta última es cero, la primera tiene que ser negativa, de ahí que aparezca una fuerza atractiva (o una presión negativa) entre las placas. En todos los experimentos hasta ahora la fuerza de Casimir entre dos objetos del mismo material siempre ha sido atractiva. Sin embargo, algunos estudios teóricos apuntaban a que entre dos cuerpos de materiales diferentes la fuerza podía ser repulsiva a cortas distancias. El nuevo experimento verifica dicha predicción.

El artículo es Rongkuo Zhao, Lin Li, …, Xiang Zhang, “Stable Casimir equilibria and quantum trapping,” Science 364: 984-987 (07 Jun 2019), doi: 10.1126/science.aax0916. Más información divulgativa en Tim Wogan, “Casimir effect creates ‘quantum trap’ for tiny objects,” Physics World, 07 Jun 2019.

Esta figura ilustra el esquema experimental del sistema de metrología óptica usado. Sin entrar en detalles muy técnicos, me gustaría destacar que la placa hexagonal de oro que levita tiene un grosor de 45 nm (nanómetros) y un tamaño lateral de unos ~25 μm (micrométros). Esta placa hexagonal de oro se comporta como un espejo de baja reflectividad. El sustrato de oro de 200 nm de grosor recubierto por entre 50 y 110 nm de teflón actúa como un espejo de alta reflectividad. Por tanto, el sistema es una cavidad de Fabry-Pérot cuyo espectro presenta una resonancia que depende de la distancia entre las placas. Así se explora el pozo de potencial que la atrapa y se determina que su anchura σ ~ ±3 nm. Todo un hito para un sistema de metrología óptica.

Se ha usado un microscopio de fuerza atómica para estudiar la rugosidad de las superficies del hexágono de oro, menos de 2 nm, y de la superficie del teflón, menos de 6 nm. En las simulaciones teóricas se considera que ambas superficies son perfectamente lisas. La distancia de levitación crece conforme se incrementa la anchura de la capa de teflón. Como muestra la figura la distancia de levitación está entre 25 y 55 nm para una grosor del teflón entre 50 y 110 nm. Para estas distancias la rugosidad de las superficies es despreciable. De hecho, las medidas del espectro de la resonancia de Fabry-Pérot se ajustan muy bien a las predicciones teóricas.

Hay muchas posibles aplicaciones de la fuerza de Casimir repulsiva. Por ejemplo, la cabeza de lectura magnética en los discos duros se aproxima mucho a la superficie plana del disco; si se aproxima demasiado, puede verse atraída hacia ella por la fuerza de Casimir. Para evitar posibles daños se podría recubrir dicha cabeza de lectura con un material adecuado que vuelva repulsiva la fuerza de Casimir para distancias muy pequeñas. Y lo mismo se puede decir para otras situaciones similares con con otros dispositivos micro y nanomecánicos. El desarrollo de estas aplicaciones potenciales no será inmediato, pero sin lugar a dudas son muy prometedoras.



6 Comentarios

  1. ¿El efecto respulsivo entonces depende de que al poner teflón el sistema se convierte en una “cavidad de Fabry-Pérot”?

    Quiero decir, ¿la fuerza repulsiva tiene que ver con el efecto Casimir o es que al convertirse en una cavidad de esas aparece una fuerza respulsiva que vence al efecto Casimir cuando la distnacia es pequeña?

    1. Paco, tiene que ver con el efecto Casimir, pero no entre dos superficies del mismo material, sino entre dos superficies que interaccionan con el campo electromagnético de forma diferente. Por cierto, una cavidad de Fabry-Pérot es lo que hay en medio de dos espejos.

  2. ¿puedo preguntar una duda? En el artículo a la presión compresiva la denomina presión negativa, y a la expansiva seguramente será la presión negativa. Ocurre que en muchas publicaciones he visto usar presión positiva como la compresiva y presión negativa como la presión expansiva. Supongo porque se otorga a la gravedad energía y masa positiva y presión compresiva. Y a la energía oscura una presión expansiva…. Me parece más lógico usar la negativa para la compresiva dado que acerca (pero siempre he utilizado la denominación inversa coloquialmente y espero no haber confundido a alguien con ello)… Pero supongo que es un convenio como llamar negativa a la carga del electrón y positiva a la del protón (y recuerdo que la “solidez” que notamos al tocar es por la repulsión electrónica entre materlales, aunque tanto da la cosa) Podría preguntar si no es molestia ¿cuál denominación y clasificación se está imponiendo en las últimas publicaciones científicas? ¿cuáles son las razones para preferir una u otra en cada caso y porque sería mejor la que usa el artículo? Y si ya está plenamente aceptado. Supongo que algunos científicos en artículos de divulgación para “scientific American” etc o libros tal vez usen su preferida y si ya está impuesta una denominación definitivamente

    Perdón, y gracias

    1. Suzudo, cuando calculas la presión si da p<0 entonces es presión negativa. Para la energía oscura p=-ρ<0, que como la densidad siempre es positiva, es negativa. Cuando la fuerza de Cassimir es atractiva, F<0, la presión de Cassimir es P=F/A<0. Por ello algunos físicos han propuesto que la energía oscura es la presión de Cassimir del vacío (pero esta idea falla cuando se hacen los cálculos).

      1. Ah. Vaya, creía que era algo más “esotérico” o. Pues muchas gracias. ASí es como si se hubiera vaciado una esfera hueca semileástica (ya se que son láminas pero es por hacer analogía) o parecida de aire, y el aire de afuera la presionara. Si es así no creo que sea la energía oscura. Por tanto en el efecto de Casimir baja la energía entre las placas que fuera de ellas donde es más elevada. Si me imagino una cabina de ascensor sin sistema de referencia externo y un motor cohete el algo que creo base es lo mismo pensar que acelera la cabina hacia la pelota que suelto dentro, que la pelota cae en un campo gravitatorio. Y las paredes se comprimen y si nos imaginamos que se comprimen las cosas o el espacio-tiempo da igual por diferencia de velocidad pues… Las paredes no es espacio tiempo sino que tiene repulsión electomagnática etc.. Pero se supone equivalente. Y si me imagino que algo tira de lo que nos parece arriba es como si de esa fuente (fuera no hay algo que sirva de sistema de referencia) algo repeliera y estirara las paredes desde ahí o el espacio-tiempo si fuera alta la aceleración ¿no? Y eso parecería ser análogo a la energía oscura o sea que es como si se apartara más que repelernos y nos estirara con la referencia de las paredes (o el corrimiento al rojo en cierta manera) pero la presión contra el suelo no aumenta. No parece el mismo escenario así por encima que en la situación del efecto de Casimir. Bueno

  3. Nada. Que si esto de la cabina describiera correctamente la gravedad y la energía negativa… Suponiendo…, con a gravedad, con la energía normal la densidad de energía normal debería de ser positiva y atractiva. Y la repulsión estirando el espacio-tiempo (y alargando la longitud de onda de lo que haya ahí de paso como consecuencia) la densidad de la energía normal debería de ser negativa pero la de la energía negativa suponiendo que es la energía oscura su densidad positiva. Supongo que por utilizar este modelo tenía esas aparentes contradicciones. Si el modelo este corresponde a la realidad entonces el efecto de Casimir no es la energía oscura

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