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

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 c’è l’effetto 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. L’effetto Casimir, cioè, potrebbe alimentare le nanomacchine, come energia trasmessa senza contatto. Torino, 31 ottobre 2006

Solo lunghezze d’onda inferiori a d Hendrik Casimir (1909-2000), fisico teorico che ha operato a lungo nei laboratori di ricerca della Philips di Eindhoven H.B.G. Casimir and D. Polder, Phys. Rev., 73, 360, 1948 Le fluttuazioni del vuoto esercitano una “pressione di radiazione” su due lastre metalliche non cariche poste l’una di fronte all’altra in vuoto, d In media la pressione esterna (rosso) è più grande di quella interna (verde). Solo lunghezze d’onda inferiori a d Tutte le lunghezze d’onda sono possibili Torino, 31 ottobre 2006

La demarcazione si situa intorno a 100 nm Le lastre metalliche si attraggono reciprocamente per la semplice presenza del vuoto. La forza è data da una relazione del tipo o F ~ A/d4, in cui A è la superficie delle lastre e d la distanza tra esse. Questa relazione non vale più se la distanza d diventa molto piccola, si dà una dipendenza del tipo A/d3. La demarcazione si situa intorno a 100 nm Se d va a zero la forza non va all’infinito, ma, se le superfici sono in condizioni ideali, si genera un legame. Torino, 31 ottobre 2006

Difficile realizzare lastre piane e parallele in modo perfetto Anche un vuoto perfetto e allo zero assoluto ha fluttuazioni di campo note come “fluttuazioni di vuoto” la cui energia corrisponde alla metà dell’energia di un fotone. F circa 3x10-7 N Difficile realizzare lastre piane e parallele in modo perfetto 1 mm 1 cm 1 nm F circa 3x105 N F A/d4 F(d)=f(costante di Plank e velocità delle onde elettromagnetiche, geometria) Torino, 31 ottobre 2006

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

Per molti anni l’effetto Casimir è stato poco più di una curiosità teorica. 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 dall’altro l’avanzamento della strumentazione ha loro reso possibile la misura di questa forza con crescente precisione. Torino, 31 ottobre 2006

Lavoro pionieristico 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.

Una nuova generazione di misurazioni incominciò nel 1997 con Steve Lamoreaux, che operava allora all’Università Washington di Seattle. 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. Trovò che il valore sperimentale e quello ottenuto con il calcolo teorico differivano del 5 %. Torino, 31 ottobre 2006

“Casimir Force Holds Empty Promise” Physicsweb Ssept 2002, Astrid Lambrecht,e-mail ambrecht@spectro.jussieu.fr 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 291 1941). “Casimir Force Holds Empty Promise” “Engineering emptiness” Nonlinear Micromechanical Casimir Oscillator, H. B. Chan, V. A. Aksyuk, R. N. Kleiman, D. J. Bishop, and Federico Capasso, Phys. Rev. Lett. 87, 11801 (nov 2’001) Torino, 31 ottobre 2006

Lavoro di Umar Mohideen e suoi collaboratori all’università di California a Riverside Strumento utilizzato: microscopio a forza atomica 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. L’attrazione tra sfera e disco ricavata dalla deviazione di un fascio laser. Differenza tra dato seprimentale e valore teorico entro 1%. Sensibilità: 10-17 N Vuoto: 10-1-10-6 Pa Torino, 31 ottobre 2006

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

Differenza tra valore sperimentale e quello teorico del 15 %. Dal lavoro di G Bressi, G. Carugno et al. 2002 Phys. Rev. Lett. 88 041804 forza di Casimir tra due specchi paralleli posti ad una distanza tra loro di 0,5-3 µm. Differenza tra valore sperimentale e quello teorico del 15 %. Questo numero è correlato con le difficoltà tecniche dell’esperimento. Torino, 31 ottobre 2006

Problemi di calcolo e nel condurre l’ esperimento Gli esperimenti hanno a che fare con situazioni pratiche diverse da quelle del calcolo. Più le condizioni in cui viene condotto l’esperimento sono vicine a quelle del calcolo teorico più piccola ovviamente si fa la differenza tra i due dati. Tra il valore della temperatura usato nei calcoli e quello dell’esperimento c’è 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) Torino, 31 ottobre 2006

Dal 1996 al 2006 sono stati pubblicati molti lavori sulla misurazione o di survey Steven K.Lamoreaux-1996 (S. K. Lamoreaux, Phys Rev. Lett78, 5,1996 Steven K. Lamoreaux: The Casimir Force: backgroound, experiments, and applications, Rep. Prog. Phys., 68, 2001-236, 2005 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, 131-134 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, 052102 (2005). Kimbal A.Milton: 2006 Casimir effect,Physical manifestation of zero-point energy Review 55 pag Torino, 31 ottobre 2006

G. Bressi, G. Carugno, R. Onofrio, and G G. Bressi, G. Carugno, R. Onofrio, and G. Ruoso: Measurement of the Casimir Force between Parallel Metallic Surfaces, Phys. Rev. Lett. 88, 041804 (2002) D. Iannuzzi M. Lisanti,F. Capasso,Proc. Natl. Acc.Sci.101, 2004, 4019-4023 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, 180402 (2005). M. Antezza, L.P. Pitaevskii, and S. Stringari, Phys. Rev. Lett. 95, 113202 (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, 053619 (2004). Torino, 31 ottobre 2006

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

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

Torino, 31 ottobre 2006

Torino, 31 ottobre 2006

Progetto europeo NANOCASE 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 (cb12@le.ac.uk) Inghilterra, Francia, Svezia, coordinato da Univ. Di Leicester STM chamber. The NANOCASE project is based around the University of Leicester Scanning Probe Facility.

E’ ancora valido quanto scritto da Astrid Lambrecht nel 2002? 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. 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. Torino, 31 ottobre 2006

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

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"  Presiede il prof.Ferdinando Gliozzi 11 40’ - 12 caffé Torino, 31 ottobre 2006

“Effetti della forza di Casimir-Polder su gas atomici ultrafreddi” 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 Massimo Inguscio, LENS-Università-Firenze “ Measurement of Forces in the Casimir Regime using Ultracold Atoms “ Presiede il Dott. Filippo Levi 13 30’-15 00’ pranzo Torino, 31 ottobre 2006

Giuseppe Bimonte, Università Federico II-Napoli “Thermal correction to the Casimir force, radiative heat transfer and experiment" Presiede il dott. Giorgio Bertotti Stefan Lanyi (Accademia Slovacca delle Scienze-Bratislava) e Marco Pisani, INRIM-Torino, “Possibile contributo dell'INRIM alla misura della forza di Casimir 16 40’-18 00’ Discussione finale sugli argomenti trattati e possibili collaborazioni Conduce il dott. Enrico Calloni Torino, 31 ottobre 2006

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. Buon lavoro Torino, 31 ottobre 2006