Из квантовой механики известно, что два тела, находящиеся в непосредственной близости друг от друга (почти касающиеся) испытывают притяжение за счет модификаций, которые они вносят в квантово-механическую энергию пустого пространства. Но последние теоретические исследования показали, что недавно открытые вещества, известные как топологические изоляторы, могут демонстрировать не только притяжение, но и отталкивание. Очередной пример специфического для данных материалов свойства должен добавить новые данные к пониманию топологических изоляторов, а также действующих экзотических квантовых сил.

Рис. 1. Принципы взаимодействия двух
топологических изоляторов, покрытых
магнитной пленкой, на расстояниях
порядка 1 микрона.

Известно, что свет – это одна из разновидностей электромагнитных волн. Но даже в «кромешной тьме» в пустом пространстве существуют незначительные электромагнитные колебания, которые не могут быть устранены. Однако они могут быть изменены, точно также как изменение длины струны гитары меняет спектр возможных устойчивых механических колебаний.

Электромагнитные колебания «зажаты» между двумя твердыми поверхностями. Для обычных материалов энергия пространства в промежутке между ними снижается, если тела начинают приближаться друг к другу. Таким образом, проявляется так называемая сила Казимира, обуславливающая притяжение двух незаряженных тел в вакууме.

Ранее предполагалось, что притяжение Казимира будет действовать между любыми двумя телами. Теперь же группа ученых из University of Madrid (Испания) рассмотрела случай, когда два расположенных рядом тела представляют собой топологические изоляторы, экзотическую модификацию твердого тела, существование которой не так давно было подтверждено первым реальным примером. Электрический ток в топологическом изоляторе течет исключительно по его поверхности, кроме того, на его поведение не влияют кристаллические дефекты. Ожидается также, что внутри таких тел электромагнитные поля должны вести себя весьма неожиданным образом. К примеру, электромагнитные и электростатические поля, обычно не влияющие друг на друга, в топологическом изоляторе могут взаимодействовать. Подобное взаимодействие может наблюдаться и в других телах, его особенности варьируются в зависимости от частоты света. Но в топологических изоляторах взаимодействие полей будет просто пропорционально нечетному кратному числа пи (магнитоэлектрической сцепленности).

Эффект Казимира зависит от того, каким образом электромагнитные волны отражаются от двух поверхностей. При этом проводящая поверхность топологического изолятора может отражать волны точно также, как блестящая поверхность металла отражает свет, препятствуя попаданию электромагнитной волны внутрь. Чтобы волны проникли внутрь, необходимо применять определенные уловки. В частности, испанские ученые предложили покрывать топологический изолятор тонкой магнитной пленкой, препятствующей протеканию тока. В этом случае из-за взаимодействия магнитных и электрических составляющих некоторые волны, проникающие внутрь топологического изолятора, будут отражаться необычным образом. К примеру, могут появляться различные изменения поляризации волн, которые приведут к повышению энергии, заключенной между двумя телами, т.е. к возникновению силы отталкивания. Величина эффекта при этом будет зависеть от магнитоэлектрического сцепления (величины, определяющей взаимодействие электрических и магнитных волн в топологическом изоляторе), т.е. от деталей конкретного материала. Кроме того, влияние может оказывать применяемое магнитное покрытие. Исследователи обнаружили, что когда коэффициент взаимодействия полей в обоих топологических изоляторах имеет один и тот же знак, будет наблюдаться обычное притяжение Казимира. Однако если знаки окажутся разными, а тела будут расположены на расстоянии порядка микрона, может возникать сила отталкивания малой дальности. Стоит отметить, что ранее отталкивающая сила Казимира уже демонстрировалась на эксперименте, но в присутствии третьего материала.