Abstoßende Casimir-Lifschitz-Kraft beobachtet

Quantenfluktuationen lassen ein Goldkügelchen über einer Glasfläche schweben

Hendrik Casimir hatte 1948 vorhergesagt, dass zwei ungeladene, perfekt leitende Platten einander anziehen. Die Anziehungskraft wird von den Vakuumfluktuationen des elektromagnetischen Feldes zwischen den Platten verursacht. Mit abnehmendem Plattenabstand verringert sich die Zahl der Schwingungsmoden zwischen den Platten und damit auch die Vakuumenergie, sodass eine Anziehungskraft auftritt. Evgeny Lifschitz hatte 1956 Casimirs Theorie auf reale Materialien verallgemeinert. Dabei ergab sich, dass zwischen Substanzen mit bestimmten dielektrische Eigenschaften auch abstoßende Kräfte auftreten können. Forscher von der Harvard University konnten das jetzt experimentell bestätigen.

Damit beim Casimir-Lifschitz-Effekt eine abstoßende Kraft zwischen zwei Objekten aus unterschiedlichen Materialien (mit den Dielektrizitätskonstanten ε₁ und ε₂) auftreten kann, muss sich zwischen ihnen ein drittes Material (mit ε₃) befinden. Das Vorzeichen der Kraft wird, der Theorie zufolge durch – (ε₁ – ε₃)(ε₂ – ε₃) bestimmt. Abstoßung tritt z. B. auf für ε₁ > ε₃ > ε₂. Da die drei ε im Allgemeinen frequenzabhängig sind, muss die Ungleichung über einen großen Frequenzbereich erfüllt sein. Federico Capasso und seine Mitarbeiter haben eine geeignete Materialkombination gefunden. Sie nehmen eine Quarzglasplatte und ein mit Gold überzogenes Plastikkügelchen, zwischen denen sich eine dünne Schicht von flüssigem Brombenzol befindet. 

Um die Casimir-Lifschitz-Kraft zu messen, wurde das knapp 40 µm große Kügelchen am Arm eines Rasterkraftmikroskops befestigt und vorsichtig der Glasplatte bis auf wenige Nanometer angenähert. Die auftretende Kraft verursachte eine Verbiegung des Arms, die mit einem von der Oberseite des Arms reflektierten Laserstrahl nachgewiesen wurde. Die Forscher stellten sicher, dass keine elektrischen Kräfte zwischen Platte und Kügelchen auftraten und dass auch der „kritische“ Casimir-Effekt aufgrund von klassischen Dichtefluktuationen in der Flüssigkeit keine Rolle spielte. Hydrodynamische Kräfte, die das viskose Brombenzol auf die langsam bewegte Kugel ausübte, waren zwar nicht zu vermeiden. Da sie aber linear von der Geschwindigkeit der Kugel abhingen, ließen sie sich durch Wiederholung der Messungen mit unterschiedlichen Kugelgeschwindigkeiten bestimmen und bei der Berechnung der Casimir-Lifschitz-Kraft berücksichtigen.

Tatsächlich wurde die Kugel merklich von der Glasplatte abgestoßen, sobald sie sich ihr auf etwa 20 nm genähert hatte. Wurde die Kugel wieder von der Platte wegbewegt, so zeigte der Verlauf der gemessenen Kraft keine Hysterese. Aufgrund der abstoßenden Casimir-Lifschitz-Kraft war die Kugel nicht an der Platte kleben geblieben. Zur Kontrolle wiederholten die Forscher die Kraftmessungen, indem sie die Kugel in die Nähe einer goldbeschichteten Glasplatte brachten. In diesem Fall wirkte für Abstände von weniger 30 nm eine merklich anziehende Casimir-Lifschitz-Kraft, bevor die Kugel auf der Platte aufsetzte. Zog man die Kugel wieder von der Platte weg, so blieb sie zunächst an ihr haften und der Verlauf der Kraft zeigte eine deutliche Hysterese.

Die gemessene abstoßende Casimir-Lifschitz-Kraft zwischen der goldüberzogenen Kugel und der unbeschichteten Glasplatte war deutlich schwächer als die anziehende Kraft, die auftrat wenn Kugel und Platte vergoldet waren. Dies stimmte mit den theoretischen Vorhersagen überein. Doch Unterschiede zwischen Theorie und Experiment zeigten sich bei der quantitativen Abhängigkeit der abstoßenden Kraft vom Abstand zwischen Kugel und Platte. Die Forscher führen dies auf die nur ungenau bekannten dielektrischen Eigenschaften der benutzten Materialien, vor allem des Brombenzols, zurück.

Die anziehende Casimir-Lifschitz-Kraft ist in Mikro- und Nanostrukturen allgegenwärtig und lässt deren Teile, die sich eigentlich bewegen sollten, aneinander haften. Die jetzt beobachtete abstoßende Casimir-Lifschitz-Kraft könnte hier Abhilfe schafften. Mit der geeigneten Flüssigkeit könnte man das Aneinanderhaften von mikroskopisch kleinen Objekten verhindern. Auf diese Weise ließen sich bewegliche Strukturen mit extrem geringer Reibung konstruieren. Auch ein halbes Jahrhundert nach seiner Entdeckung steckt der Casimir-Lifschitz-Effekt noch voller Überraschungen.

RAINER SCHARF


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  J. N. Munday, Federico Capasso & V. Adrian Parsegian, Measured long-range repulsive Casimir–Lifshitz forces. Nature 457, 170 (2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature07610 
• Gruppe von Federico Capasso an der Harvard University:
  http://www.seas.harvard.edu/capasso/
  

 
Weitere Literatur:

• J. N. Munday et al.: Measurements of the Casimir-Lifshitz force in fluids: The effect of electrostatic forces and Debye screening. Physical Review A 78, 32109 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.78.032109
  http://www.seas.harvard.edu/capasso/publications/Munday_PRA_78_032109_2008.pdf (frei!)
  
• Federico Capasso et al., Casimir forces and quantum electrodynamical torques: physics and nanomechanics, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 13, 400 (2007)
  http://www.seas.harvard.edu/capasso/publications/Capasso_STJQE_13_400_2007.pdf (frei!)
  
• R. Scharf, Casimir-Effekt strukturiert Kolloide. pro-physik (20.11.2008)
  http://www.pro-physik.de/Phy/leadArticle.do?laid=11257
  

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