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Le misure della forza di Casimir: situazione attuale e prospettive future in Italia Torino 31 Ottobre 2006 La forza di Casimir è il più famoso effetto.

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1 Le misure della forza di Casimir: situazione attuale e prospettive future in Italia Torino 31 Ottobre 2006 La forza di Casimir è il più famoso effetto meccanico delle fluttuazioni del vuoto. The Casimir effect:: the force of nothing Qualche spigolatura Questa forza attrattiva tra due superfici in vuoto puà influenzare ogni cosa dalle micromacchine alle teorie unificate della natura. Effetto Casimir = una evidenza sperimentale dellesistenza dellenergia di punto zero (correlata allenergia oscura)

2 Dal libro di Federico Capasso, Avventure di un designer quantico, Di Renzo Editore …. Nella fisica dei quanti non esiste il vuoto... Al suo posto vi è una continua attività di creazione e sparizione di particelle…, in un ribollire continuo che produce effetti macroscopici molto interessanti. Tra questi cè leffetto Casimir ….. Nel futuro i dispositivi MEMS si miniaturizzeranno sempre di più per cui la densità dei componenti aumenterà; quindi la forza di Casimir tra di essi non potrà più essere trascurata. Leffetto Casimir, cioè, potrebbe alimentare le nanomacchine, come energia trasmessa senza contatto. Torino, 31 ottobre 2006

3 In media la pressione esterna (rosso) è più grande di quella interna (verde). Hendrik Casimir ( ), fisico teorico che ha operato a lungo nei laboratori di ricerca della Philips di Eindhoven Le fluttuazioni del vuoto esercitano una pressione di radiazione su due lastre metalliche non cariche poste luna di fronte allaltra in vuoto, Torino, 31 ottobre 2006 H.B.G. Casimir and D. Polder, Phys. Rev., 73, 360, 1948 Tutte le lunghezze donda sono possibili Solo lunghezze donda inferiori a d d

4 La forza è data da una relazione del tipo o F ~ A/d 4, in cui A è la superficie delle lastre e d la distanza tra esse. Le lastre metalliche si attraggono reciprocamente per la semplice presenza del vuoto. Torino, 31 ottobre 2006 Questa relazione non vale più se la distanza d diventa molto piccola, si dà una dipendenza del tipo A/d 3. La demarcazione si situa intorno a 100 nm Se d va a zero la forza non va allinfinito, ma, se le superfici sono in condizioni ideali, si genera un legame.

5 Torino, 31 ottobre 2006 Anche un vuoto perfetto e allo zero assoluto ha fluttuazioni di campo note come fluttuazioni di vuoto la cui energia corrisponde alla metà dellenergia di un fotone. F(d)=f(costante di Plank e velocità delle onde elettromagnetiche, geometria) F A/d 4 1 m 1 cm F circa 3x10 -7 N 1 nm F circa 3x10 5 N Difficile realizzare lastre piane e parallele in modo perfetto

6 Torino, 31 ottobre 2006 Si rimpiazzano le superficie piane con una sfera metallica di raggio R>>d Con parecchie correzioni Microscopio a forza atomica R d

7 Negli ultimi dieci anni si è avuto un fiorire di lavori, da quando i fisici hanno da un lato messo a fuoco il fatto che la forza di Casimir può influenzare il modo di operare di microsistemi e dallaltro lavanzamento della strumentazione ha loro reso possibile la misura di questa forza con crescente precisione. Per molti anni leffetto Casimir è stato poco più di una curiosità teorica. Torino, 31 ottobre 2006 però

8 Uno dei primi esperimenti fu eseguito nel 1958 da Marcus Spaarnay alla Philips di Eindhoven, che misurò la forza di Casimir che si esercita tra due specchi metallici piatti di alluminio o cromo o acciaio. Lavoro pionieristico

9 Torino, 31 ottobre 2006 Una nuova generazione di misurazioni incominciò nel 1997 con Steve Lamoreaux, che operava allora allUniversità Washington di Seattle. Trovò che il valore sperimentale e quello ottenuto con il calcolo teorico differivano del 5 %. Egli misurò la forza di Casimir che si esercita tra una lente sferica del diametro di 4 cm e una lastra ottica di quarzo di circa 2.5 cm, entrambe ricoperte di rame o oro.

10 Physicsweb Ssept 2002, Astrid Lambrecht, Casimir Force Holds Empty Promise Engineering emptiness Torino, 31 ottobre 2006 Nonlinear Micromechanical Casimir Oscillator, H. B. Chan, V. A. Aksyuk, R. N. Kleiman, D. J. Bishop, and Federico Capasso, Phys. Rev. Lett. 87, (nov 2001)Phys. Rev. Lett. 87, Capasso e il suo gruppo nei laboratori Lucent Technologies ha mostrato come la forza possa essere usata per controllare il movimento meccanico di un sistema MEMS (2001 Science ).

11 Lattrazione tra sfera e disco ricavata dalla deviazione di un fascio laser. Differenza tra dato seprimentale e valore teorico entro 1%. Lavoro di Umar Mohideen e suoi collaboratori alluniversità di California a Riverside Torino, 31 ottobre 2006 Una sfera di polistirene 200 µm di diametro ricoperta di oro (85,6 nm) attaccata alla leva di un microscopio a forza atomica, ad una distanza di 0.1 µm da un disco piatto coperto con gli stessi materiali. Sensibilità: N Vuoto: Pa Strumento utilizzato: microscopio a forza atomica

12 Thomas Ederth Thomas Ederth al Royal Institute of Technology di Stockholm, ha usato un microscopio a forza atomica per studiare leffetto Casimir. Ha misurato la forza tra due cilindri ricoperti di oro posti a 90° luno rispetto allaltro ed a una distanza di 20 mm. Torino, 31 ottobre 2006 Il suo risdultato sperimentale differiva dal valore teorico del 1 %.

13 Dal lavoro di G Bressi, G. Carugno et al Phys. Rev. Lett forza di Casimir tra due specchi paralleli posti ad una distanza tra loro di 0,5-3 µm. Torino, 31 ottobre 2006 Differenza tra valore sperimentale e quello teorico del 15 %. Questo numero è correlato con le difficoltà tecniche dellesperimento.

14 Problemi di calcolo e nel condurre l esperimento Torino, 31 ottobre 2006 Tra il valore della temperatura usato nei calcoli e quello dellesperimento cè una differenza di circa 290 K Il parallelismo delle superficie non può essere perfetto Le superficie non sono piane I film che ricoprono le superficie sono rugosi, in genere ottenuti per sputtering (rugosità di circa 50 nm) Gli esperimenti hanno a che fare con situazioni pratiche diverse da quelle del calcolo. Più le condizioni in cui viene condotto lesperimento sono vicine a quelle del calcolo teorico più piccola ovviamente si fa la differenza tra i due dati.

15 Steven K.Lamoreaux-1996 (S. K. Lamoreaux, Phys Rev. Lett78, 5,1996 Dal 1996 al 2006 sono stati pubblicati molti lavori sulla misurazione o di survey Torino, 31 ottobre 2006 M. Brown-Hayes, D.A.R. Dalvit, F.D. Mazzitelli, W.J. Kim, and R. Onofrio: Towards a precision measurement of the Casimir force in a cylinder-plane geometry," Physical Review A 72, (2005). Kimbal A.Milton: 2006 Casimir effect,Physical manifestation of zero-point energy Review 55 pag U. Mohideen and Anushree Roy, Phys. Rev.let, 81/21, nov 1998, 4549 G. L. Klitchiskaya and V. M. Mosterpanenko. Experiment anf theory n the Casimir effect, Contemporary, Physics, 46-3, May-June 2006, Steven K. Lamoreaux: The Casimir Force: backgroound, experiments, and applications, Rep. Prog. Phys., 68, , 2005

16 Torino, 31 ottobre 2006 G. Bressi, G. Carugno, R. Onofrio, and G. Ruoso : Measurement of the Casimir Force between Parallel Metallic Surfaces, Phys. Rev. Lett. 88, (2002) D. Iannuzzi M. Lisanti,F. Capasso,Proc. Natl. Acc.Sci.101, 2004, G. Bimonte, E. Calloni, G. Esposito, L. Rosa, Variations of Casimir energy from a superconducting transition, Nucl. Phys. B 726 (2005), 441. G. Bimonte, E. Calloni, G. Esposito, L. Milano, L. Rosa Towards measuring variations of Casimir energy by a superconducting cavity, Phys. Rev. Lett. 94, (2005). M. Antezza, L.P. Pitaevskii, and S. Stringari, Phys. Rev. Lett. 95, (2005). [2] M. Antezza, L.P. Pitaevskii, S. Stringari, and V.B. Svetovoy, to be published (2006). [3] M. Antezza, L.P. Pitaevskii, and S. Stringari, Phys. Rev. A 70, (2004).

17 Il vuoto che non è vuoto anche di particelle Torino, 31 ottobre 2006

18 Massimo Pietrani - INFN - Padova 5% 25% 80% Torino, 31 ottobre 2006

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21 NANOCASE is an EU funded project to study one of the most fundamental forces in the universe: The Casimir force arises directly from the quantum zero point energy of the vacuum. The ultimate goal of the project is to use the Casimir force to produce a contactless transmission in a nano-machine. General enquiries to: Prof. Chris Binns Progetto europeo NANOCASE Inghilterra, Francia, Svezia, coordinato da Univ. Di Leicester STM chamber. The NANOCASE project is based around the University of Leicester Scanning Probe Facility.

22 But despite the intensive efforts of researchers, many unsolved problems about the Casimir effect remain. In particular the seemingly innocent question of the Casimir force within a single hollow sphere is still a matter of lively debate. E ancora valido quanto scritto da Astrid Lambrecht nel 2002? Torino, 31 ottobre 2006 People are not even sure if the force is attractive or repulsive Half a century on, the mysteries of the Casimir force are likely to keep us entertained for many years to come.

23 Ferdinando Gliozzi, Università di Torino Introduzione all'effetto Casimir Il workshop

24 Giovanni Carugno e G Ruoso, INFN-Padova Casimir effect: a novel experimental approach at large distance Davide Iannuzzi, Vrije Universiteit-Amsterdam "Casimir force experiments: beyond the accuracy issue" caffé Torino, 31 ottobre 2006 Presiede il prof.Ferdinando Gliozzi

25 Massimo Inguscio, LENS-Università-Firenze Measurement of Forces in the Casimir Regime using Ultracold Atoms pranzo Torino, 31 ottobre 2006 Mauro Antezza, Lev P. Pitaevskii and Sandro Stringari, Università-Trento Effetti della forza di Casimir-Polder su gas atomici ultrafreddi Non ci sarà un intervento specifico di Massimo Inguscio Presiede il Dott. Filippo Levi

26 Giuseppe Bimonte, Università Federico II-Napoli Thermal correction to the Casimir force, radiative heat transfer and experiment" Stefan Lanyi (Accademia Slovacca delle Scienze- Bratislava) e Marco Pisani, INRIM-Torino, Possibile contributo dell'INRIM alla misura della forza di Casimir Discussione finale sugli argomenti trattati e possibili collaborazioni Torino, 31 ottobre 2006 Presiede il dott. Giorgio Bertotti Conduce il dott. Enrico Calloni

27 Buon lavoro Da parte mia, di Domenico Andreone e Marco Pisani un grazie a tutti coloro che hanno collaborato alla realizzazione di questa giornata di studio ed in particolare a Elisabetta Melli. Torino, 31 ottobre 2006


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