Tot dusver was het Casimir-effect, dat in 1948 ontdekt werd door het Nederlandse natuurkundige duo Hendrik Casimir en Dirk Polder, vooral vervelend voor nanotechnologen. Het zorgt er namelijk voor dat als twee platen in een vacuüm heel dicht bij elkaar komen – zeg, 50 nanometer- die platen naar elkaar toegetrokken worden.
Deeltjes met golflengtes die niet tussen de platen passen, ontstaan daar ook niet. Afbeelding: © Wikimedia Commons
Quantumfluctuaties
Eén van de basisregels van de quantummechanica is het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Kort gezegd bewijst die regel dat er altijd energie in een ruimte aanwezig is, zelfs in een vacuüm. Die energie is niet altijd constant, maar heeft een basiswaarde waar de echte hoeveelheid energie omheen schommelt. Er ontstaan volgens Einstein’s relatie tussen massa en energie (E=MC2) namelijk lichtdeeltjes (en virtuele anti-lichtdeeltjes) uit die energie. Dit noemen we ‘Quantumfluctuaties’. Sommige wetenschappers beweren dat het hele heelal het gevolg is van dit verschijnsel. Zij zien de big bang als één grote quantumfluctuatie.
Deeltjesdruk
Dat komt omdat de deeltjes die door de quantumfluctuaties in die tussenruimte ontstaan niet hetzelfde zijn als daarbuiten. Deeltjes ontstaan namelijk in de vorm van een golf. En als die golf niet tussen de platen past, ontstaat zo’n deeltje stomweg niet. Daardoor ontstaan er minder deeltjes aan de binnenkant dan aan de buitenkant. Meer deeltjes buiten betekent meer druk, dus worden de platen tegen elkaar gedrukt; niet zo prettig als je er iets van wilt bouwen. Maar aan de Rijksuniversiteit Groningen zijn wetenschappers, waaronder George Palasantzas, er nu in geslaagd om het Casimir-effect juist in te zetten voor een nano-schakelaar.
Hiervoor gebruikten ze hetzelfde spul als er op herschrijfbare DVD’s zit, AIST, dat uit een legering van zilver, indium, antimoon en telluur bestaat. Het is een zogenaamd amorf materiaal, wat betekent dat het zowel in kristalvorm als in een meer rommelige toestand “amorf” stabiel is. Door het te verwarmen met een laser of elektrische puls kunnen de onderzoekers het materiaal van toestand laten veranderen.
Als je even geduld hebt, zie je hier dat de energiefluctuaties tussen de platen kleiner worden als de platen dichter naar elkaar toe schuiven.
Picoverschillen
De onderzoekers merkten dat de twee toestanden verschillende Casimir-krachten opriepen. Als het AIST laagje op de plaat amorf was, bedroeg de Casimir-kracht zo’n 100 piconewton. In de stijvere kristallijne toestand steeg de kracht met 25%, waardoor de platen een stukje naar elkaar toe bewogen. Zo lukte het de wetenschappers om een energetisch signaal (een laser of een elektrische puls) om te zetten naar een mechanisch signaal. De mechanische vervorming bleef namelijk intact, ook als de puls of laser weer uit ging. Volgens maker Palasantzas is dat uniek onder de nanoschakelaars. “Dit principe maakt de weg vrij voor zuinige nanoschakelaars in computers.” Aldus Palasantzas. Met een nieuwe puls was het effect weer om te keren, zodat de schakelaar ook weer ‘uit’ kon.
Onafhankelijke nanotechnoloog Davide Iannuzzi van de Vrije Universiteit Amsterdam geeft commentaar op deze ontdekking. “Het is zeker een belangrijke bijdrage aan het veld, maar ik maak me zorgen over de elektrostatische krachten. Die kunnen het Casimir-effect gaan overheersen. Echte applicaties bouwen namelijk nogal wat elektrische lading op bij gebruik, wat deze schakelaars zou kunnen beïnvloeden.”
