Физики из СПбПУ предложили новый подход для описания взаимодействия металла и  электромагнитных флуктуаций - случайных всплесков электрического и магнитного полей. Результат их работы будет применим в создании наноустройств. 

Внутри современных устройств есть микромеханизмы, на которые оказывает влияние сила Казимира – притяжение между двумя поверхностями в вакууме. Ее возникновение связано с электромагнитными флуктуациями. В середине ХХ века академик Евгений Лифшиц теоретически описал взаимодействие между электрически незаряженными телами, которые расположены на расстоянии меньше микрометра. Но его теория в некоторых случаях противоречила экспериментальным результатам. А когда измерения сил Казимира стали точнее, то в наноустройствах ученые заметили загадочный парадокс. 

«Предсказания теории Лифшица совпадали с результатами измерений только при условии, что потери энергии электронов проводимости в металле при вычислениях не учитывались. Эти потери, однако, реально существуют! Даже из обыденного опыта всем хорошо известно, что при прохождении электрического тока провод слегка нагревается. В литературе эта ситуация получила название “загадки сил Казимира”»,— отмечает Галина Климчицкая, профессор Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций СПбПУ.

Ученые из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) учли потерю энергии электронов в металле и согласовали предсказания теории Лифшица с высокоточными измерениями сил Казимира. Полученные данные они отразили в научной статье. Итогом стал новый подход к описанию взаимодействия металла с электромагнитными флуктуациями. Его особенность в том, что ученые учли два типа флуктуаций: реальные, подобные наблюдаемым электромагнитным полям, и виртуальные. Последние нельзя наблюдать непосредственно.  Они аналогичны виртуальным частицам, из которых состоит квантовый вакуум.

«Предложенный подход приводит приблизительно к тому же вкладу реальных флуктуаций в силу Казимира, что и обычно используемый, но существенно изменяет вклад виртуальных флуктуаций. В результате теория Лифшица приходит в согласие с экспериментом при одновременном учете энергетических потерь электронов в металле»,— говорит о результате научного исследования Владимир Мостепаненко, профессор Института физики, нанотехнологий и телекоммуникаций СПбПУ.

Результаты научной работы, хоть и относятся к немагнитным металлам, но в будущем планируется распространение их и на материалы с ферромагнитными свойствами. Это позволит делать надежные расчеты и создавать все более миниатюрные  наноустройства, которые будут работать под воздействием сил Казимира.

«В общем плане можно сказать, что развитые методы расчета необходимы уже в настоящее время для разработки и создания первых лабораторных образцов квантовых переключателей, прерывателей света и оптических модуляторов, использующих эффекты электромагнитных флуктуаций. Поскольку все большая миниатюризация является общей тенденцией в развитии нанотехнологий, в дальнейшем можно ожидать все более широкого применения полученных результатов в самых разных областях. Если же ставить вопрос о непосредственном практическом использовании результатов фундаментальных исследований, то полезно помнить об известном ответе Фарадея на вопрос одной дамы о практическом применении недавно открытого им явления электромагнитной индукции. “Леди,— ответил он,— что можно наверняка сказать о том, чего достигнет в будущем новорожденный младенец?” Это теперь мы знаем, что на этом открытии Фарадея основаны все применения электричества, вся современная техника и даже обыденная жизнь людей. Поэтому не стоит преждевременно задавать слишком конкретные вопросы о практической пользе фундаментальных научных результатов. Они ценны сами по себе, а их практическая значимость выявится со временем»,— объясняет Галина Климчицкая.