Kuantum mekaniği açısından vakum, boşluktan ziyade birçok ayrıntıyı barındırır. Bu ayrıntı sanal parçacıklar veya kuantum dalgalanmaları şeklinde ortaya çıkar. Bu dalgalanmalar, makroskopik nesneler arasında kuvvetler ve torklar yaratabilir ve bu özellikler, nanoskopik cihazların mühendisliği için büyük bir potansiyele sahiptir.
1940’larda Hendrik Casimir, iki paralel ve yük taşımayan metal plaka arasındaki etkileşim kuvvetlerini teorik olarak açıkladı. Klasik bir vakumda böyle bir olay beklenmezken, kuantum vakumunda plakaların arasında dalgalanma enerjisinin azalması, onları birbirine çekmeye neden olur; bu etki, Casimir etkisi olarak bilinir. Bu teorik tahminler, Marcus Sparnaay’ın yaptığı deneylerle doğrulandı ama bu tür kuvvetlerin ölçümü oldukça zordu. Boris Derjaguin, ölçümlerdeki zorlukları gidermek için plakalardan birini küreyle değiştirerek deneyleri sadeleştirdi.
Casimir’in teorisi daha sonra genişletilerek farklı malzeme özelliklerini de kapsar hale getirildi. 1961’de, teorisyenler Igor Dzyaloshinskii, Evgeny Lifshitz ve Lev Pitaevskii tarafından bu teori, dielektrik fonksiyonları aracılığıyla plakaların optik özelliklerini de içerecek şekilde geliştirildi.
Kuantum Vakumunda Casimir Torku Nedir?
Plakaların malzeme özelliklerinin yanı sıra anizotropik optik özellikleri de incelendi. 1970’lerde, Adrian Parsegian ve George Weiss, ayrıca Yuri Barash, plakalardaki toplam serbest enerjinin sadece plaka arasındaki mesafeye değil, aynı zamanda plaka açısına da bağlı olduğunu keşfetti. Bu, plakaların daha düşük enerji konumuna dönmesini sağlayan bir tork, yani Casimir torku oluşturur. Özellikle, plaka arasındaki mesafeler birkaç onlarca nanometre olduğunda, torkun açıya bağlı olduğu ve mesafeyle ters orantılı olarak azaldığı bulundu.
Bu kuantum etkileri, farklı malzemelerdeki uygulamalarla, gelecekte nanoölçekteki cihazların tasarımında heyecan verici olanaklar sunmaktadır.
Casimir torkunu ölçmek, teknik zorluklar nedeniyle karmaşıktır. İki büyük plaka paralel halde ve mikro mesafelerde tutulmalı; bir plakada serbest dönüş olmalı ve bu dönüş arka plan gürültüsü üzerinde algılanabilmelidir. Bir yöntem, biri asılı kalan iki plaka kullanarak tork çubuğu aracılığıyla dönüşü ölçmektir. Ancak, paralellik ve yüzey kusurları gibi sorunlar bu süreçte zorluk yaratır.
Bu sorunları aşmak için, araştırma grubumuz bir plakayı sıvı kristalle değiştirdi. Sıvı kristaller, katı kristallere benzer şekilde davranır ama moleküler düzeyde dönebilir. Deneyimizde, katı bir kristale ince bir aluminyum oksit tabakası uyguladık ve bunun üzerine sıvı kristali yerleştirdik. Bu yapı, Casimir torkunun sıvı kristali döndürmesiyle optik eksenlerin hizalanmasını sağladı. Dönüş, gelen ışık polarizasyonunun ölçülmesiyle tespit edildi.
2018’de yayınlanan deney, teorik öngörüleri doğruladı: Tork, ayrım mesafesine ve açıya bağımlıdır. Ayrıca, kristal altlıkların optik özellikleri torkun büyüklüğünü ve yönünü etkiler. Laboratuvarımız, nanometreler mertebesindeki tork yoğunluklarını ölçebildi.
Bu keşif, kuantum etkilerinin nanoskopik ve mikroskopik cihazlarda nasıl modifiye edilebileceğini gösteriyor. Mikromekanik sistemlerde (MEMS), Casimir ve van der Waals kuvvetleri yüzey yapışmalarını etkileyebilir ve bu da cihazların kırılmasına neden olabilir. Bu kuvvetlerin kontrol edilmesi, daha hassas ivmeölçerler ve tork sensörleri elde edilmesini sağlayabilir. Sıvı kristallere etkisi, modern ekran teknolojilerinde düşük güce ihtiyaç duyan uygulamaların önünü açabilir.
Kaynak: pubs.aip.org/physicstoday/article/78/6/54/3347430/A-new-twist-on-the-quantum-vacuumA-subtle
