Dosud byla levitace (vznášení hmotných těles) spíše záležitostí bájí a pohádek či kouzelnických triků než seriózního vědeckého výzkumu, přesto ji fyzikální zákony nevylučují. Způsobů, jak překonat gravitaci, se nabízí několik, nejčastěji se k podobným účelům využívají silná magnetická pole.

Levitace se nemusí týkat jen neživých objektů, jak ukazuje případ z roku 2000, kdy se vědcům podařilo vznést do vzduchu pomocí magnetického polštáře živou žábu. Uvedený pokus měl tehdy značnou publicitu a úspěšným experimentátorům vynesl žertovné ocenění -  cenu Ig Nobel.

Ovšem s levitací se můžeme setkat i v kvantovém světě, tedy těch nejmenších fyzikálních struktur, atomů a molekul, jak nyní prokázala studie vedená profesorem Federicem Capassem z Harvardovy univerzity.

Jeho tým jako první na světě podal definitivní důkaz, že nezvyklý kvantový úkaz, kterému fyzici říkají Casimirův jev, se může projevovat i odpudivým způsobem, o čemž se až do zveřejnění objevu spíš jen spekulovalo.

Casimirův efekt

Jev předpověděl v roce 1948 nizozemský fyzik Hendrik Casimir (1909 – 2000). Zjistil, že pokud se dvě rovnoběžné a nenabité desky přiblíží na dostatečně malou vzdálenost, začnou se přitahovat do té doby neznámou silou.

Podstatu Casimirova jevu lze vysvětlit poměrně jednoduše. Jak mezi deskami, tak v okolním prostředí totiž dochází k neustálým fluktuacím vakuového pole, tj. ke vzniku virtuálních párů částic a antičástic.

V prostoru mezi deskami se jich ale rodí méně, neboť virtuální částice zde mohou mít jen určité vlnové délky, a sice takové, aby vzdálenost mezi deskami byla jejich celočíselným násobkem. Protože pro částice v okolí žádné takové omezení neplatí, je jich nutně více, což se nakonec projeví silou, která tlačí desky k sobě.

Casimirův jev byl v minulosti několikrát ověřen, ovšem uplatňuje se pouze při velmi nepatrných vzdálenostech, menších než 100 nanometrů. "Pokud jsou oba povrchy ze stejného materiálu, například ze zlata, odděleny vakuem, vzduchem nebo kapalinou, výsledná síla je vždy přitažlivá,“ tvrdí Capasso.

Nechtěné tření

Přitažlivá Casimirova síla byla změřena s velkou přesností a inženýři s ní při navrhování nových nanopřístrojů skutečně počítají. Ovšem její přitažlivé účinky návrhářům působí spíše problémy, protože díky nim dochází k nepříjemné přilnavosti nanosoučástek.

V některých případech to může dojít až tak daleko, že se součástky k sobě přilepí a nelze je od sebe odtrhnout. Přitažlivé Casimirovy síly tak díky nežádoucímu tření limitují miniaturizaci tzv. mikro-elektro-mechanických systémů (MEMS), které mají rozsáhlé možnosti použití, například se jimi pohánějí airbagy v automobilech.

Odpudivé kvantové síly

V roce 1956 Jevgenij Lifšic na základě studia vakuových fluktuací v reálných materiálech a tekutinách naznačil, že Casimirova síla by mohla být i odpudivá. Od té doby se vědci mnohokrát pokoušeli změnit směr jejího působení, nikomu se to však nepodařilo.

Až do té doby, než Capasso publikoval svůj objev. Nanotechnologům tak konečně svitla jiskra naděje. V lednovém vydání časopisu Nature Capasso a další členové jeho výzkumného týmu popisují, jak letitý oříšek dokázali jednou pro vždy rozlousknout.

Vědci měřili velikost a směr síly působící mezi dvěma tenkými plátky ponořenými do brombenzenu. Místo kovu (zlata) na jednom z povrchů ale použili křemík, přesněji oxid křemičitý, čímž dosáhli kýženého efektu. Původně přitažlivá síla se opravdu změnila v odpudivou.

"Odpudivé Casimirovy síly jsou předmětem velkého zájmu, neboť mohou být využity u ultracitlivých senzorů na měření sil a kroutících momentů k levitaci objektů ponořených do kapaliny a vznášejících se v nanometrických vzdálenostech nad povrchem,“ říká Capasso a pokračuje: "Tyto objekty se mohou vůči sobě volně otáčet či posouvat, s minimálním statickým třením, protože jejich povrchy nikdy nepřijdou do přímého kontaktu.“

Kvantová levitace a její aplikace

Mezi rozličnými způsoby aplikace nového objevu autoři studie především zdůrazňují možnosti, které nabízí kvantová levitace. Očekávají, že její projevy by se mohly uplatnit v situacích, kdy bude požadováno ultranízké tření mezi jednotlivými díly mikro- a nanozařízení. V této souvislosti očekávají též vývoj nových typů miniaturních kompasů, rychloměrů a gyroskopů.

Zdroje: harvardscience.harvard.edu