Casimir-Kraft kann auch abstoßend wirken

Forscher der Harvard-Universität in Cambridge und des National Institutes of Health (NIH) aus Maryland weisen eine Abstoßung zwischen einer Goldkugel und einer Quarzplatte in Brombenzol-Lösung nach. Fast reibungsfreie Nano-Geräte rücken so in den Bereich des Möglichen.

Künstlerischer Eindruck des Versuchs
Künstlerischer Eindruck des Versuchs

Cambridge (USA) - Der quantenmechanische Casimir-Effekt wurde 1948 theoretisch vorhergesagt und 1956 im Experiment bestätigt. Er besagt, dass zwei nur wenige Nanometer voneinander entfernte Platten sich gegenseitig anziehen müssen, wenn sie nur durch Luft oder Vakuum getrennt sind. Der Effekt wird im Alltag nicht sichtbar, spielt aber in vielen Experimenten im Nano- und Mikrometerbereich eine Rolle. Besonders für winzigste Schaltungen oder Geräte ist er unerwünscht. Weil die Casimirkräfte größer werden, je kleiner die Entfernung zwischen den einzelnen Objekten ist, können sie im Extremfall Nanomaschinen blockieren.

Jeremy Munday, Federico Capasso (Harvard-Universität) und Adrian Parsegian (NIH, Maryland) haben nun eine Materialkombination gefunden, bei der der Casimir-Effekt eine Abstoßung bewirkt. Möglich ist das, weil Casimir-Kräfte auf elektromagnetische Ladungsschwankungen zurückgehen, die elektrischen Eigenschaften der beteiligten Körper also eine entscheidende Rolle spielen. Bringt man eine geeignete Flüssigkeit in den Zwischenraum der beteiligten Körper, kann dies die anziehende zu einer abstoßenden Kraft machen.

Gold, Brombenzol und Quarz sind zusammen eine der wenigen Kombinationen, für die der Casimireffekt letztendlich zu einer Abstoßung der beiden Festkörper führt. Supraflüssiges Helium zwischen Luft und einem Festkörper ist ein weiteres Beispiel für einen anziehenden Casimir-Effekt. Das Helium fließt in diesem Fall an den Behälterwänden nach oben.

Da der Casimir-Effekt nur sehr kleine Kräfte erzeugt, ist er relativ schwer zu messen. Munday und seine Kollegen nutzten dafür ein umgebautes Atomkraft-Mikroskop. Normalerweise ist es mit einer sehr scharfen Spitze ausgestattet, die zeilenweise über die zu messende Probe fährt. Die Ablenkung der Spitze misst man optisch. Die übliche Spitze ersetzen die Forscher durch eine 40 Mikrometer winzige, mit Gold bedampfte Kunststoffkugel. Diese Kugel tauchten sie in eine Zelle mit Brombenzol, das eine Quarzplatte bedeckt. Beim Annähern und Entfernen der Kugel zur Quarzplatte zeigte sich bei geringen Abständen eine abstoßende Wirkung. Hydrodynamische Effekte und statische Elektrizität schlossen die Physiker als Ursache aus.

Der Nachweis, dass der Casimir-Effekt auch abstoßend wirken kann, ermöglicht den Forschern zufolge neue Anwendungen des fast reibungsfreien "Quanten-Schwebens". Steve Lamoreaux von der Universität Yale kommentiert in der aktuellen Ausgabe von "Nature", man könne wahrscheinlich Materialkombinationen finden, bei denen ein Objekt in einer festen Distanz zu einem anderen schwebe, so dass Geräte mit zu vernachlässigender Reibung denkbar seien. Möglich wäre dies jedoch nur für Geräte in der Größe von Nano- bis Mikrometern.