Le misure della forza di Casimir: situazione attuale e prospettive future in Italia Torino 31...

Le misure della forza di Casimir:

situazione attuale e prospettive future in Italia

Torino 31 Ottobre 2006

La forza di Casimir è il più famoso effetto meccanico delle fluttuazioni del vuoto.

The Casimir effect:: the force of nothing

Qualche spigolatura

Questa forza “attrattiva” tra due superfici in vuoto puà influenzare ogni cosa dalle micromacchine alle teorie unificate della natura.

Effetto Casimir = una evidenza sperimentale dell’esistenza dell’energia di punto zero (correlata all’energia oscura)

Dal libro di Federico Capasso, Avventure di un designer quantico, Di Renzo Editore…. Nella fisica dei quanti non esiste il vuoto. .. Al suo posto vi è una continua attività di creazione e sparizione di particelle…, in un ribollire continuo che produce effetti macroscopici molto interessanti. Tra questi c’è l’effetto Casimir …..Nel futuro i dispositivi MEMS si miniaturizzeranno sempre di più per cui la densità dei componenti aumenterà; quindi la forza di Casimir tra di essi non potrà più essere trascurata.

L’effetto Casimir, cioè, potrebbe alimentare le nanomacchine, come energia trasmessa senza contatto.

Torino, 31 ottobre 2006

In media la pressione esterna (rosso) è più grande di quella interna (verde).

Hendrik Casimir (1909-2000),

fisico teorico che ha operato a lungo nei laboratori di ricerca della Philips di Eindhoven

Le fluttuazioni del vuoto esercitano una “pressione di radiazione” su due lastre metalliche non cariche poste l’una di fronte all’altra in vuoto,


•H.B.G. Casimir and D. Polder,

•Phys. Rev., 73, 360, 1948

Tutte le lunghezze d’onda sono

possibili

Solo lunghezze d’onda inferiori a

d

d

La forza è data da una relazione del tipo o F ~ A/d4, in cui A è la superficie delle lastre e d la distanza tra esse.

Le lastre metalliche si attraggono reciprocamente per la semplice presenza del vuoto.


Questa relazione non vale più se la distanza d diventa molto piccola, si dà una dipendenza del tipo A/d3.

La demarcazione si situa intorno a 100 nmSe d va a zero la forza non va all’infinito,

ma, se le superfici sono in condizioni ideali, si genera un legame.


Anche un vuoto perfetto e allo zero assoluto ha fluttuazioni di campo note come “fluttuazioni di vuoto” la cui energia corrisponde alla metà dell’energia di un fotone.

F(d)=f(costante di Plank e velocità delle onde elettromagnetiche, geometria)

F A/d4

1 m

1 cm

1 cm

F circa 3x10-7 N

1 nm F circa 3x105 N

Difficile realizzare lastre piane e parallele in modo perfetto A

d

cdFc

4

2

240)(/


Si rimpiazzano le superficie piane con una sfera metallica di raggio R>>d

3

3

360//

d

cRFc

Con parecchie correzioni

Microscopio a forza atomica

Rd

Negli ultimi dieci anni si è avuto un fiorire di lavori, da quando i fisici hanno da un lato messo a fuoco il fatto che la forza di Casimir può influenzare il modo di operare di microsistemi e dall’altro l’avanzamento della strumentazione ha loro reso possibile la misura di questa forza con crescente precisione.

Per molti anni l’effetto Casimir è stato poco più di una curiosità teorica.


però

Uno dei primi esperimenti fu eseguito nel 1958 da Marcus Spaarnay alla Philips di Eindhoven, che misurò la forza di Casimir che si esercita tra due specchi metallici piatti di alluminio o cromo o acciaio.

Lavoro pionieristico


Una nuova generazione di misurazioni incominciò nel 1997 con Steve Lamoreaux, che operava allora all’Università Washington di Seattle.

Trovò che il valore sperimentale e quello ottenuto con il calcolo teorico differivano del 5 %.

Egli misurò la forza di Casimir che si esercita tra una lente sferica del diametro di 4 cm e una lastra ottica di quarzo di circa 2.5 cm, entrambe ricoperte di rame o oro.

Physicsweb Ssept 2002, Astrid Lambrecht,e-mail [email protected]

“Casimir Force Holds Empty

Promise”

“Engineering emptiness”


Nonlinear Micromechanical Casimir Oscillator, H. B. Chan, V. A. Aksyuk, R. N. Kleiman, D. J. Bishop, and Federico Capasso, Phys. Rev. Lett. 87, 11801 (nov 2’001)

Capasso e il suo gruppo nei laboratori Lucent Technologies ha mostrato come la forza possa essere usata per controllare il movimento meccanico di un sistema MEMS (2001 Science 291 1941).

mailto:[email protected]

http://link.aps.org/abstract/PRL/v87/e211801



L’attrazione tra sfera e disco ricavata dalla deviazione di un fascio laser.

Differenza tra dato seprimentale e valore teorico entro 1%.

Lavoro di Umar Mohideen e suoi collaboratori all’università di California a Riverside


Una sfera di polistirene 200 µm di diametro ricoperta di oro (85,6 nm) attaccata alla leva di un microscopio a forza atomica, ad una distanza di 0.1 µm da un disco piatto coperto con gli stessi materiali.

Sensibilità: 10-17 NVuoto: 10-1-10-6 Pa

Strumento

utilizzato:

microscopio a forza

atomica

Thomas EderthThomas Ederth al Royal Institute of Technology di Stockholm, ha usato un microscopio a forza atomica per studiare l’effetto Casimir. Ha misurato la forza tra due cilindri ricoperti di oro posti a 90° l’uno rispetto all’altro ed a una distanza di 20 mm.


Il suo risdultato sperimentale differiva dal valore teorico del 1 %.

Dal lavoro di G Bressi, G. Carugno et al. 2002 Phys. Rev. Lett. 88 041804 forza di Casimir tra due specchi paralleli posti ad una distanza tra loro di 0,5-3 µm.


Differenza tra valore sperimentale e quello teorico del 15 %.

Questo numero è correlato con le difficoltà tecniche dell’esperimento.

Problemi di calcolo e nel condurre l’ esperimento


Tra il valore della temperatura usato nei calcoli e quello dell’esperimento c’è una differenza di circa 290 K

Il parallelismo delle superficie non può essere perfetto

Le superficie non sono piane

I film che ricoprono le superficie sono rugosi, in genere ottenuti per sputtering (rugosità di circa 50 nm)

Gli esperimenti hanno a che fare con situazioni pratiche diverse da quelle del calcolo.

Più le condizioni in cui viene condotto l’esperimento sono vicine a quelle del calcolo teorico più piccola ovviamente si fa la differenza tra i due dati.

Steven K.Lamoreaux-1996 (S. K. Lamoreaux, Phys Rev. Lett78, 5,1996

Dal 1996 al 2006 sono stati pubblicati molti lavori sulla misurazione o di survey


M. Brown-Hayes, D.A.R. Dalvit, F.D. Mazzitelli, W.J. Kim, and R. Onofrio: Towards a precision measurement of the Casimir force in a cylinder-plane geometry," Physical Review A 72, 052102 (2005).

Kimbal A.Milton: 2006 Casimir effect,Physical manifestation of zero-point energy Review 55 pag

U. Mohideen and Anushree Roy, Phys. Rev.let, 81/21, nov 1998, 4549

G. L. Klitchiskaya and V. M. Mosterpanenko. Experiment anf theory n the Casimir effect, Contemporary , Physics, 46-3, May-June 2006, 131-134

Steven K. Lamoreaux: The Casimir Force: backgroound, experiments, and applications, Rep. Prog. Phys., 68, 2001-236, 2005


G. Bressi, G. Carugno, R. Onofrio, and G. Ruoso:

Measurement of the Casimir Force between Parallel Metallic Surfaces, Phys. Rev. Lett. 88, 041804 (2002)

D. Iannuzzi M. Lisanti,F. Capasso,Proc. Natl. Acc.Sci.101, 2004, 4019-4023

G. Bimonte, E. Calloni, G. Esposito, L. Rosa, “Variations of Casimir energy from a superconducting transition”, Nucl. Phys. B 726 (2005), 441.

G. Bimonte, E. Calloni, G. Esposito, L. Milano, L. Rosa “Towards measuring variations of Casimir energy by a superconducting cavity”, Phys. Rev. Lett. 94, 180402 (2005).

M. Antezza, L.P. Pitaevskii, and S. Stringari, Phys. Rev. Lett. 95, 113202 (2005).

[2] M. Antezza, L.P. Pitaevskii, S. Stringari, and V.B. Svetovoy, to be published (2006).

[3] M. Antezza, L.P. Pitaevskii, and S. Stringari, Phys. Rev. A 70, 053619 (2004).

p/Pa F/N lcm/m n particelle n particlele urti sulle pareti urti sulle paretirif a 1 cm2

per aria a 20°C in 1 m3 in cm3 N2 n cm-2s-1 H2 in cm-2s-1

1,00E+05 1,00E+01 6,7E-06 2,47E+25 2,47E+19 1,10E+25 1,09216E+28

1,00E+03 1,00E-01 6,7E-04 2,47E+23 2,47E+17 1,10E+23 1,09216E+26

1,00E+00 1,00E-04 6,7E-01 2,47E+20 2,47E+14 1,10E+20 1,09216E+23

1,00E-05 1,00E-09 6,7E+04 2,47E+15 2,47E+09 1,10E+15 1,09216E+18

1,00E-07 1,00E-11 6,7E+06 2,47E+13 2,47E+07 1,10E+13 1,09216E+16

1,00E-11 1,00E-15 6,7E+10 2,47E+09 2,47E+03 1,10E+09 1,09216E+12

Il vuoto che non è vuoto anche di particelle


torta universale? protoni, neutroni,

elettroni, fotoni,

neutrinimateria oscura

energia oscura

Massimo Pietrani - INFN - Padova

5%

25%80%


NANOCASE is an EU funded project to study one of the most fundamental forces in the universe: The Casimir force arises directly from the quantum zero point energy of the vacuum. The ultimate goal of the project is to use the Casimir force to produce a contactless transmission in a nano-machine.

General enquiries to: Prof. Chris Binns ([email protected])

Progetto europeo NANOCASE

Inghilterra, Francia, Svezia, coordinato da Univ. Di Leicester

STM chamber. The NANOCASE project is based around the University of Leicester Scanning Probe Facility.

mailto:[email protected]

But despite the intensive efforts of researchers, many unsolved problems about the Casimir effect remain. In particular the seemingly innocent question of the Casimir force within a single hollow sphere is still a matter of lively debate.

E’ ancora valido quanto scritto da Astrid Lambrecht nel 2002?


People are not even sure if the force is attractive or repulsive. ----------- Half a century on, the mysteries of the Casimir force are likely to keep us entertained for many years to come.

Ferdinando Gliozzi, Università di Torino

“Introduzione all'effetto Casimir”

Il workshop

Giovanni Carugno e G Ruoso, INFN-Padova

“Casimir effect: a novel experimental approach

at large distance”

Davide Iannuzzi, Vrije Universiteit-Amsterdam

"Casimir force experiments: beyond the accuracy issue"

11 40’ - 12 caffé


Presiede il prof.Ferdinando Gliozzi

Massimo Inguscio, LENS-Università-Firenze

“ Measurement of Forces in the Casimir Regime using Ultracold Atoms “

13 30’-15 00’ pranzo


Mauro Antezza, Lev P. Pitaevskii and Sandro Stringari, Università-Trento

“Effetti della forza di Casimir-Polder su gas

atomici ultrafreddi”

Non ci sarà un intervento specifico di Massimo Inguscio

Presiede il Dott. Filippo Levi

Giuseppe Bimonte, Università Federico II-Napoli

“Thermal correction to the Casimir force,

radiative heat transfer and experiment"

Stefan Lanyi (Accademia Slovacca delle Scienze-Bratislava) e Marco Pisani, INRIM-Torino, “Possibile contributo dell'INRIM alla misura della forza di Casimir

16 40’-18 00’ Discussione finale sugli argomenti trattati e possibili collaborazioni


Presiede il dott. Giorgio Bertotti

Conduce il dott. Enrico Calloni

Buon lavoro

Da parte mia, di Domenico Andreone e Marco Pisani un grazie a tutti coloro che hanno collaborato alla realizzazione di questa giornata di studio ed in particolare a Elisabetta Melli.


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