Nichts ändert Schwingungen

News: Nichts ändert Schwingungen

Die Mikrotechnologie schreitet stetig voran. Immer kleinere Maschinen bestehen aus immer feineren Einzelteilen, die immer winzigere Zwischenräume trennen. Diese werden mitunter so klein, dass im Vakuum quantenmechanische Kräfte wirken und sich die Einzelteile anziehen. Physiker haben nun untersucht, wie solche Kräfte auf schwingende Komponenten wirken.

Oliver Busse

Der holländische Physiker Hendrick Casimir sagte 1948 voraus, dass sich zwei in sehr kleinem Abstand zueinander befindliche Metallplatten im Vakuum anziehen müssten. Denn das Vakuum ist nicht leer, sondern erfüllt von virtuellen Teilchen, die aus dem Nichts entstehen und sofort wieder vergehen. Zwischen den Platten entstehen jedoch nur Teilchen mit bestimmten Wellenlängen. Deshalb verringert sich dort die Energiedichte, und die Platten ziehen sich zusammen. Diesen so genannten Casimir-Effekt konnte Steven Lamoreaux 1996 experimentell nachweisen.

Der Casimir-Effekt könnte eine wichtige Rolle beim Bau winziger Maschinen spielen, da er zum Beispiel unbewegliche Einzelteile zusammenhalten könnte. Doch wie wirkt er sich auf bewegliche Teile aus? Dieser Frage gingen nun Ho Bun Chan und seine Kollegen von den Bell Laboratories nach.

Dazu bauten sie eine vergoldete Miniaturwippe und regten diese über ein elektrisches Wechselfeld zu gleichmäßigen Schwingungen an. Dabei betrieben sie das elektrische Feld mit der Resonanzfrequenz, bei der die Wippe der Anregung am stärksten folgte und ihre Amplitude maximal war. Die Größe der Resonanzfrequenz ist abhängig von den Systemeigenschaften, also der Bauart der Wippe und ihrer Umgebung. Anschließend senkten die Wissenschaftler eine 200 Mikrometer durchmessende und ebenfalls vergoldete Kugel langsam auf eine Wippenhälfte hinab. Als nur noch wenige hundert Nanometer Kugel und Wippe trennten, zogen sie sich aufgrund des Casimir-Effekts an. Dadurch änderten sich die Systemeigenschaften und auch die Resonanzfrequenz der Wippe.

Da diese nun nicht mehr optimal angeregt wurde, verringerte sich die Amplitude der Schwingung. Also konnten die Forscher die Amplitude der Wippe über ihren Abstand zur Kugel ändern. Durch Nachjustieren der Anregungsfrequenz stellten sie fest, dass sich die Resonanzfrequenz der Wippe bei einer Entfernung von etwa 100 Nanometern um ungefähr 0,7 Prozent verringerte. Damit gelang den Wissenschaftlern der erste Nachweis des Casimir-Effekts bei einem bewegten mechanischen System.