Иллюстрация: Zhujing Xu et al. / Nature Communications, 2022. Американские физики использовали силу Казимира, имеющую вакуумно-флуктуационную природу, для управления передачей механической энергии в трехконтактной системе. Для этого они изготовили три микрометровых резонатора и параметрически связывали их с помощью модуляций колебаний. В результате они не только смогли управлять передачей колебательной энергии с одного конца схемы на другой, реализовав транзистор, но и усилить ее. Исследование  опубликовано в Nature Communications. Современная квантовая теория гласит, что повсюду в пространстве в любой момент времени происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц — флуктуации вакуума. Особенность виртуальных частиц в том, что мы не имеем возможности определить времена и координаты начала и конца таких процессов, а судим о них лишь косвенно.

Введение в физику квантовых вакуумных флуктуаций потребовалось, чтобы объяснить обнаруженные в 1947 году Лэмбом нестыковки между экспериментами с атомом водорода и квантовой механикой. Со временем это вылилось в построение квантово-полевой картины мира, в рамках которой удалось объединить все взаимодействия кроме гравитационного. Тем не менее, в понимании того, как виртуальные частицы формируют массу реальных частиц, кажется, еще есть белые пятна.

Из квантовой теории поля следует также и то, что вакуумные флуктуации существуют отдельно от какой бы то ни было материи. Другими словами, абсолютный вакуум в бытовом смысле нельзя назвать таковым, поскольку рождение и уничтожение виртуальных частиц происходит повсеместно, хотя никак себя не проявляет. Тем не менее, в 1948 году Хендрик Казимир предположил, что, существуй флуктуации на самом деле, они должны были бы приводить к притяжению пластин, разделенных наноскопическими расстояниями. Причиной возникновения силы в этом случае должна была бы стать разность давлений, создаваемых фотонным вакуумом снаружи и внутри резонатора.

Достоверные измерения эффекта Казимира произошли только на рубеже XX и XXI веков. Этой дополнительной силой чаще всего пренебрегают, либо рассматривают как негативный фактор при конструировании микро- и наномеханических устройств. Вместе с тем сила Казимира может пригодиться для дистанционного управления системами резонаторов без потерь энергии или для предотвращения слипания элементов микроэлектронных систем.

В прошлом году группа американских физиков из Университета Пердью под руководством Зубин Джакоб (Zubin Jacob) и Тунцан Ли (Tongcang Li) использовала казимирово взаимодействие, чтобы реализовать необратимую передачу энергии между двумя механическими резонаторами, другими словами, изготовила диод для потока механической энергии. Теперь эта же группа ученых расширила свой эксперимент на проблему трех тел в контексте такой связи. Связав три механических резонатора силой Казимира, они показали, что такую систему можно использовать как транзистор и даже усилитель для передачи механической энергии.

В опытах физики разделяли два механических позолоченных резонатора тонкой консолью-резонатором толщиной один микрометр. Резонаторы представляли собой полистирольные наночастицы диаметром 70 микрометров, прикрепленные к концам прямоугольных кантилеверов толщиной два микрометра. В большинстве экспериментов расстояние между краем консоли и краем сфер поддерживалось в районе нескольких сотен нанометров. Схема управления всеми тремя кантилеверами была такой же, как в атомно-силовых микроскопах. Физики имели возможность перемещать резонаторы, а также следить за их координатой и приложенной к ним силой с помощью лазерного излучения, подводимого оптическими волокнами.

Схема трехконтактного казимирового устройства. Во врезе показано изображение системы, сделанное с помощью оптического микроскопа. Zhujing Xu et al. / Nature Communications, 2022

На первом этапе своей работы физики убедились, что их расчеты стационарных казимировых взаимодействий хорошо описывают реальную картину. Для этого они смещали резонаторы и измеряли возникающие при этом силы и их градиенты. Затем ученые приступили к исследованию параметрической связи в такой системе, для чего раскачивали средний кантилевер по некоторому периодическому закону. Собственные частоты и коэффициенты затухания всех трех резонаторов были различны, однако правильный подбор частоты (а точнее, двух частот) модуляции приводил к эффективной связи всех трех элементов схемы и гибридизации их колебаний. Этой связью можно было управлять, отстраивая частоты модуляции от условия резонанса.

Авторы убедились, что таким способом можно управлять перетоком механической энергии между краевыми кантилеверами. Они раскачивали один из них и измеряли амплитуду колебаний на другом конце при включенной и выключенной сильной связи. Зависимость коэффициента передачи от одной из частот модуляции имела колоколообразный характер, достигая максимума, равного 0,44. Таким образом, устройство может играть роль транзистора.

Чтобы сделать этот коэффициент еще больше, физики внесли усиление в колебания консоли, наращивая их амплитуду. Когда ее коэффициент усиления превысил коэффициент затухания, устройство превратилось в усилитель с четырехкратным увеличением сигнала. Дальнейший рост, однако, не имел эффекта, поскольку приводил к дестабилизации системы. Авторы рассчитывают, что изготовленное ими устройство может быть полезным для метрологии и сенсоров. Кроме того, их работа вносит важный вклад в понимание казимирового взаимодействия трех тел. Эта проблема актуальна при исследовании гравитации на коротких расстояниях, где массивные тела часто экранируют тонкими металлическими пленками для защиты от паразитных электромагнитных взаимодействий.