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Quantenmechanik: Abstoßende Lifschitz-Casimir-Kraft erzeugt

Zwischen Objekten, die weniger als 100 Nanometer voneinander entfernt sind, treten kleine, aber messbare Anziehungskräfte auf. Mit Hilfe bestimmter Materialien konnte diese Casimir-Kraft nun in eine abstoßende Wechselwirkung umgekehrt werden. Dieser Effekt ermöglicht beispielsweise ein Objekt über einer Oberfläche schweben zu lassen oder Bauteile und Sensoren mit extrem niedriger Reibung zu entwickeln.

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Wirkung der Lifshitz-Casimir-Kraft | Diese Abbildung (nicht maßstabsgetreu) veranschaulicht, wie die abstoßende Lifshitz-Casimir-Kraft zwischen geeigneten Materialien in einer Flüssigkeit verwendet werden kann, um ein Objekt schweben zu lassen. Dessen Dichte muss größer sein als die der Flüssigkeit.
Federico Capasso von der Harvard University und seine Kollegen brachten eine goldbeschichtete Kugel mit einem Durchmesser von rund 40 Mikrometern in die Nähe einer Glasplatte. Dabei befanden sich beide in der chemischen Flüssigkeit Brombenzol. Zwischen Kugel und Platte konnten sie daraufhin mit Hilfe des Cantilevers eines Rasterkraftmikroskops, das an der Kugel fixiert ist und dessen Auslenkung sie erfassten, eine winzige abstoßende Kraft messen. Ersetzten die Forscher die Platte aus Glas durch eine aus Gold, trat die bereits bekannte anziehende Wechselwirkung auf, die stärker war als die vorher gemessene abstoßende Kraft. In beiden Fällen stieg die Kraft jedoch mit abnehmendem Abstand der beiden Oberflächen an.

Abstoßende Casimir-Kräfte könnten beispielsweise in neuen ultra-empfindlichen Kraft- und Drehmomentsensoren zum Einsatz kommen. Insgesamt böten sie ganz neue Möglichkeiten für mikro- oder nanometergroße Bauteile, in denen die attraktiven Casimir-Kräfte eine Miniaturisierung bisher oft im Weg standen. Denn ab einer bestimmten Größe kleben Oberflächen wegen dieser Anziehungskraft zusammen und machen das Bauteil funktionsunfähig.

Im Jahr 1948 sagte der Physiker Hendrick Casimir voraus, dass sich zwei metallische Oberflächen anziehen, wenn sie sich sehr dicht gegenüber stehen. Erzeugt wird die Kraft durch Quantenfluktuationen der Energie, die sich mit Heisenbergs Unschärferelation vereinbaren lassen. Jewgeni Michailowitsch Lifschitz erweiterte die Theorie und fand heraus, dass auch repulsive Kräfte möglich sein müssen. Bisher konnten diese jedoch nicht nicht experimentell nachgewiesen werden. (mp)
2. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 2. Woche 2009

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