Gerät zur Messung und Manipulation unsichtbarer Kräfte entwickelt.

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Wenn Wissenschaftler immer kleinere Maschinen bauen, müssen sie die unsichtbaren Kräfte verstehen, die diese Maschinen zum Funktionieren bringen.

Dank der Forschung und der Initiative des damaligen UC Merced-Absolventen Jake Pate können einige dieser Kräfte heute gemessen und manipuliert werden.

Pate, der im Mai seinen Doktortitel in Physik erhielt und jetzt als Postdoktorand am National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado, forscht, arbeitete unter dem Physikprofessor Jay Sharping an der School of Natural Sciences. Während seiner Zeit in seinem Labor wandte sich Jake mit einem Projekt an Wissenschaftler in Australien, das sich auf den Casimir-Effekt konzentrierte – die Kraft, die zwischen zwei metallischen Objekten existiert, wenn sie sich extrem nahe beieinander befinden, sich aber nicht berühren.

“Diese Kraft will diese beiden Objekte zusammenschieben”, erklärte Pate. “Die Kasimirkraft ist stark genug, um das intrinsische Verhalten der Objekte zu verändern”, erklärte Pate.

Er entwarf und fertigte eine Pinning-Vorrichtung – einen kleinen Kegel -, der, wenn er in der Nähe einer vibrierenden Trommel in nanoskaligen Abständen platziert wird, die Vibration stoppen kann. Mit einer ausreichenden Anzahl von Nadelstiften, die “Klammern” genannt werden, können Wissenschaftler neue Formen und neue Verhaltensweisen erzeugen.

“Diese Arbeit ist extrem wichtig für mikro-elektromechanische Systeme (MEMS), winzige Maschinen mit beweglichen Teilen”, sagte Sharping. Zu den gängigen kommerziellen Anwendungen von MEMS gehören Tintenstrahldrucker, Beschleunigungsmesser in Autos, die Airbags auslösen, Beschleunigungsmesser in Gamecontrollern, Mobiltelefonen, Digitalkameras und Personalcomputern, Silizium-Drucksensoren, wie z.B. solche, die den Druck in Autoreifen messen, biomedizinische Geräte wie Stents, Ultraschallwandler und winzige Lautsprecher, wie z.B. in Ohrstöpseln und Hörgeräten.

“In den letzten 10 Jahren haben wir gelernt, Maschinen so klein zu bauen, dass wir die Quantenmechanik verstehen müssen, um zu verstehen, wie sie funktionieren”, sagte Sharping. “Wenn man zwei Materialstücke zusammenbringt, erfahren sie Kräfte, die irrelevant wären, wenn sie weiter voneinander entfernt wären. Aus der Nähe verhalten sie sich vielleicht nicht so, wie Sie es wünschen, so dass mit ihnen gebaute Objekte nicht so funktionieren, wie Sie es wünschen.

Pates Gerät ändert das, obwohl die Technologie ihn noch nicht ganz eingeholt hat.

“Man kann alle möglichen Dinge damit machen”, sagte Pate. “Man kann die Trommel verstärken, sie länger vibrieren lassen, die Form der Vibrationen verändern oder sogar verhindern, dass sie überhaupt oszilliert – es ist eine Möglichkeit, das Objekt zu steuern, ohne es jemals wirklich zu berühren.

Die nächsten Schritte werden darin bestehen, die Spannvorrichtung einzusetzen, um zu sehen, ob sie die Empfindlichkeit der Casimir-Kraft verbessern kann.

Bis vor kurzem glaubten die Forscher, dass der Casimir-Effekt nur bei sehr niedrigen Temperaturen wie dem absoluten Nullpunkt auftritt, aber Pate und sein Team zeigen, dass die Kraft auch bei Raumtemperatur genutzt werden kann und weitreichende Auswirkungen hat.

“Diese Arbeit stellt einen großen Fortschritt in der Präzisionsmessung und -regelung mit einer Vielzahl von Anwendungen dar”, sagte Professor Ajay Gopinathan vom Lehrstuhl für Physik. “Wir sind sehr stolz auf unsere Physikstudenten und -fakultät, die fundamentale Entdeckungen mit weitreichender Wirkung machen”.

Die Ergebnisse ihrer Studie wurden kürzlich in Nature Physics veröffentlicht, mit Pate als Hauptautor.

“Wenn man die Casimir-Kraft an Objekten messen und manipulieren kann, dann gewinnen wir die Fähigkeit, die Kraftempfindlichkeit zu verbessern und mechanische Verluste zu reduzieren, mit dem Potenzial, Wissenschaft und Technologie stark zu beeinflussen”, sagte Professor Michael Tobar von der University of Western Australia, der mit Pates Gruppe an dem Projekt arbeitete. “Um dies zu verstehen, müssen wir uns in die Verrücktheiten der Quantenphysik vertiefen. In Wirklichkeit gibt es kein perfektes Vakuum – selbst im leeren Raum bei Nulltemperatur flimmern virtuelle Teilchen, wie Photonen, in die Existenz hinein und aus ihr heraus.

Pate wurde neugierig auf unsichtbare Kräfte, als er in der Maschinenwerkstatt von UC Merced Mikrowellenhohlräume herstellte, und bemerkte einige “seltsame Ergebnisse”. Er streckte die Hand nach Tobar aus und trieb die Zusammenarbeit voran, die es ihm ermöglichte, drei Monate lang in Australien zu leben.

“Jake hat diese Gelegenheit für sich und unser Team wirklich geschaffen, und es war großartig für ihn, für uns und für beide Universitäten”, sagte Sharping. “Er ist ein perfektes Beispiel dafür, dass unsere Studenten keine Angst davor haben, Dinge zu tun, die andere vielleicht nicht versuchen würden, wie zum Beispiel eine andere Universität um Hilfe zu bitten. Wissenschaft funktioniert am besten, wenn mehr Wissenschaftler miteinander reden”.

Lesen Sie Eine Kraft aus “Nichts”, die zur Kontrolle und Manipulation von Objekten eingesetzt wird, um mehr über diese Forschung zu erfahren.

Referenz: “Kasimir-Feder und Verdünnung in der makroskopischen Hohlraumoptik” von J. M. Pate, M. Goryachev, R. Y. Chiao, J. E. Sharping und M. E. Tobar, 3. August 2020, Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-020-0975-9.

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