Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) предложили новый подход к описанию взаимодействия металла с электромагнитными флуктуациями, то есть со случайными всплесками электрического и магнитного полей. Полученные результаты имеют большой потенциал для применения в фундаментальной физике и для создания перспективных наноустройств различного назначения.

На работу микромеханизмов в современных устройствах оказывает влияние обусловленная электромагнитными флуктуациями сила Казимира, то есть сила притяжения между двумя поверхностями в вакууме. Такое взаимодействие между электрически незаряженными телами, расположенными на расстоянии меньше микрометра, было теоретически описано в середине ХХ века академиком Евгением Лифшицем. Однако в некоторых случаях теория Лифшица противоречила экспериментальным результатам, а с проведением более точных измерений сил Казимира в наноустройствах обнаружился загадочный парадокс.

«Предсказания теории Лифшица совпадали с результатами измерений только при условии, что потери энергии электронов проводимости в металле при вычислениях не учитывались. Эти потери, однако, реально существуют! Даже из обыденного опыта всем хорошо известно, что при прохождении электрического тока провод слегка нагревается. В литературе эта ситуация получила название “загадки сил Казимира”»,— говорит Галина Климчицкая, профессор Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций СПбПУ.

Ученым СПбПУ удалось одновременно учесть потери энергии электронов в металле и согласовать предсказания теории Лифшица с высокоточными измерениями сил Казимира. В научной статье предложен новый подход к описанию взаимодействия металла с электромагнитными флуктуациями, учитывающий тот факт, что флуктуации могут быть двух типов. Так называемые реальные, то есть подобные наблюдаемым электромагнитным полям, и виртуальные, которые непосредственно наблюдаться не могут и аналогичны виртуальным частицам, из которых состоит квантовый вакуум.

«Предложенный подход приводит приблизительно к тому же вкладу реальных флуктуаций в силу Казимира, что и обычно используемый, но существенно изменяет вклад виртуальных флуктуаций. В результате теория Лифшица приходит в согласие с экспериментом при одновременном учете энергетических потерь электронов в металле»,— комментирует результат научного исследования Владимир Мостепаненко, профессор Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций СПбПУ.

Опубликованные результаты относятся к немагнитным металлам. В дальнейшем предполагается распространить их на материалы, обладающие ферромагнитными свойствами. В результате откроются широкие возможности для надежного расчета и создания все более миниатюрных наноустройств, функционирующих под воздействием сил Казимира.

«В общем плане можно сказать, что развитые методы расчета необходимы уже в настоящее время для разработки и создания первых лабораторных образцов квантовых переключателей, прерывателей света и оптических модуляторов, использующих эффекты электромагнитных флуктуаций. Поскольку все большая миниатюризация является общей тенденцией в развитии нанотехнологий, в дальнейшем можно ожидать все более широкого применения полученных результатов в самых разных областях. Если же ставить вопрос о непосредственном практическом использовании результатов фундаментальных исследований, то полезно помнить об известном ответе Фарадея на вопрос одной дамы о практическом применении недавно открытого им явления электромагнитной индукции. “Леди,— ответил он,— что можно наверняка сказать о том, чего достигнет в будущем новорожденный младенец?”. Это теперь мы знаем, что на этом открытии Фарадея основаны все применения электричества, вся современная техника и даже обыденная жизнь людей. Поэтому не стоит преждевременно задавать слишком конкретные вопросы о практической пользе фундаментальных научных результатов. Они ценны сами по себе, а их практическая значимость выявится со временем»,— поясняет Галина Климчицкая.

Антон Конаков, доцент кафедры теоретической физики физического факультета Университета Лобачевского, старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук: Исследования сотрудников Политеха Петра Великого обладают ценностью как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Эффект Казимира принципиально определяется флуктуациями физического вакуума, которые совершенно незаметны в обычной жизни, ведь массы объектов и расстояния между ними таковы, что все эффекты квантовой физики становятся пренебрежимо малыми. Однако на малых масштабах порядка нескольких десятков нанометров давление Казимира может оказываться существенным, даже сопоставимым с атмосферным давлением. Такие масштабы достижимы в рамках современной твердотельной технологии, так что открывается уникальная возможность исследования реальных проявлений физического вакуума с помощью связанных эффектов. Кроме того, знание сил Казимира важно и с прикладной точки зрения: их необходимо учитывать при проектировании устройств наноэлектроники и микроэлектромеханических систем (МЭМС).

Основным достижением ученых из Петербурга является построение теории сил Казимира с учетом потерь энергии электронов во взаимодействующих металлических пластинах. Эти потери характерны для любого проводящего материала (приводят, в частности, к нагреву проводника, по которому течет ток) и существенно влияют на проникновение электромагнитного поля в проводник. В результате меняет свою величину косвенное взаимодействие между пластинами, обусловленное флуктуациями электромагнитного поля. Авторами предложена феноменологическая теория такого отклика проводника на внешнее электромагнитное поле, которая позволила достичь количественного согласия расчетного значения давления Казимира с экспериментальными данными.

Результаты этой работы могут быть использованы в дальнейшем для предсказания сил Казимира, возникающих между различными двумерными системами, включая тонкие полупроводниковые пленки (например, кремния), а также слои двумерных материалов, таких как графен или дихалькогениды переходных металлов. Это важно при проектировании функциональных элементов наноэлектроники и МЭМС.

Геннадий Глинский, доктор физико-математических наук, профессор кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ ЛЭТИ: Работа ученых СПбПУ, несомненно, носит фундаментальный характер и имеет важное теоретическое и практическое значение. Она позволила согласовать теорию сил Казимира с имеющимися экспериментальными данными. Корректный учет потерь энергии электронов в металлах принципиально необходим, так как такие потери всегда существуют. Исследуемые эффекты малы, однако полученные результаты в будущем могут быть использованы при проектировании наномеханических устройств, а также при создании эталона силы.

Роман Резаев, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политехнического университета (ТПУ): Ценность исследования в том, что авторы смогли учесть нелинейные эффекты и построить более полное описание квантово-механического эффекта. И это описание имеет практический смысл, поскольку дает реалистичную картину мира, а не идеальную, так как учитываются процессы, рассеивающие энергию электрона. Это важно, так как позволит построить новые, более точные математические модели элементов наноэлектроники, микроэлектроники и, возможно, даже в биологии — например, для описания межмембранного взаимодействия. Но говорить о том, каким именно образом эти результаты могут быть использованы, еще рано.

Использованы материалы статьи An alternative response to the off-shell quantum fluctuations: a step forward in resolution of the Casimir puzzle; G. L. Klimchitskaya, V. M. Mostepanenko; The European Physical Journal C, декабрь 2020 г.