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Quantenphysik: Der Casimir-Effekt kann auch anders

Zwei parallele Metallplatten werden im Vakuum zusammengeschoben - das lernt jeder Physikstudent. Aber offenbar kann man den Effekt auch umkehren.
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Der Casimir-Effekt ist eines der Wunder aus der Quantenwelt: Platziert man zwei ungeladene Metallplatten parallel nebeneinander und lässt nur einen winzigen Spalt zwischen ihnen, werden sie wie von Zauberhand zusammengedrückt. Nach Ansicht der meisten Physiker sind »virtuelle« Photonen dafür verantwortlich, die ständig im Vakuum entstehen und nach einigen Sekundenbruchteilen wieder verschwinden.

Dabei prallen sie immer wieder gegen die Platten und geben ihnen einen kleinen Stoß. Im Zwischenraum können die Lichtpakete jedoch nur bestimmte Energien tragen, da hier lediglich manche Schwingungen des Lichtfeldes Platz finden. Virtuelle Photonen auf den Außenseiten haben dieses Problem nicht. Sie üben daher insgesamt eine größere Kraft aus, wodurch die Platten zusammengeschoben werden.

Aber muss das stets so sein? Physiker haben häufig diskutiert, ob die Platten in bestimmten Situationen nicht auch auseinandergedrückt werden könnten. Für unterschiedliche Materialien ist das wohl möglich. Bei identischen Platten schlossen Physiker eine abstoßende Kraft bisher jedoch aus, da sie im Widerspruch zu komplizierten Symmetrieprinzipien zu stehen scheint.

Qing-Dong Jiang von der Universität Stockholm und Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology haben nun jedoch ein Schlupfloch in dieser Regel entdeckt. Mit einem Trick könne man die Casimir-Kraft nach außen richten und dreimal so stark werden lassen wie die nach innen orientierte, berichten die Forscher im Fachmagazin »Physical Review B«.

Das Geheimnis besteht demnach darin, ein spezielles Material zwischen die Platten zu schieben, das die Polarisation der Lichtteilchen im Zwischenraum geschickt verändert. Auf diese Weise könne man den virtuellen Photonen gewissermaßen unter die Arme greifen und ihnen zu mehr Energie verhelfen. Zusammen mit einem Magnetfeld ließe sich so letztlich die Stärke und Richtung des Casimir-Effekts steuern, berichten die Wissenschaftler nach detaillierten Rechnungen.

Ob der Trick auch in der Realität funktioniert, müssen nun Labormessungen zeigen. Sollten sich Stärke und Richtung des Casimir-Effekts irgendwann gezielt verändern lassen, ist eine Anwendung in der Nanotechnologie denkbar: Hier gilt es als eine der Herausforderungen, winzige Bauteile auf immer weniger Platz unterzubringen – ohne dass sie dabei wie von Zauberhand zusammengedrückt werden.

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