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Quantentheorie : Bisweilen stößt das Nichts auch ab

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Hier ist die anziehende Form einer Casimir-Kraft im Spiel: die Haftfüße des Geckos Bild: Ingo Arndt

Das Quantenrauschen des elektromagnetischen Feldes selbst im leeren Raum erklärt die anziehende Casimir-Kraft, die unter bestimmten Bedingungen bei sehr kleinen Abständen wirkt. Jetzt gelang der Nachweis, dass sie auch das Vorzeichen ändern kann.

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          Auf Aristoteles geht die Vorstellung zurück, dass die Natur die Leere scheut, sodass jedes Vakuum bestrebt ist, sich mit Materie aufzufüllen. Während dieser Horror Vacui eine Konsequenz der atomaren Struktur der Materie ist und für uns lediglich historisches Interesse besitzt, hat ihm die Quantentheorie in veränderter Form zu neuem Leben verholfen.

          Es stellte sich heraus, dass selbst ein materiefreier Raum nicht leer ist, sondern stets von einem schwachen Quantenrauschen des elektromagnetischen Feldes erfüllt wird. Dadurch besitzt das Feld eine Minimalenergie oder "Nullpunktsenergie", die von der Form und Beschaffenheit der Wände abhängt, die das Vakuum umgeben. Das begründet die Casimir-Kraft.

          Haftkraft für den Gecko

          Der niederländische Physiker Hendrik Casimir hatte 1948 aus theoretischen Gründen gemeint, dass zwei ungeladene Metallplatten, zwischen denen sich ein Vakuum befindet, einander anziehen sollten. Je kleiner der Abstand zwischen den Platten ist, desto weniger Raum steht für das quantenmechanische Grundrauschen des Feldes zur Verfügung und desto geringer ist die Nullpunktsenergie. Die Energie geht jedoch nicht verloren, sondern sie geht auf die Platten über, die von der Casimir-Kraft in Bewegung gesetzt werden.

          Diese anziehende Kraft macht sich nur für extrem kleine Abstände bemerkbar. So wirkt auf zwei parallele Platten im Abstand von zehn Nanometern eine Casimir-Kraft, die so groß ist wie die vom Atmosphärendruck verursachte Kraft. Die Casimir-Kraft führt dazu, dass winzige Kügelchen von Metalloberflächen und voneinander angezogen werden. Sie liegt der Reibung, der Benetzung mit Flüssigkeiten und dem Haftvermögen des Geckos zugrunde und beeinflusst das mechanische Verhalten mikroskopisch kleiner Maschinen. Zahlreiche Experimente haben Casimirs Vorhersage bestätigt.

          Die Prognose von Lifschitz

          Bisher machte sich die Casimir-Kraft stets anziehend bemerkbar. Doch jetzt haben Federico Capasso und seine Mitarbeiter von der Harvard-Universität erstmals eine abstoßende Casimir-Kraft beobachtet ("Nature", Bd. 457, S. 170). Sie bestätigten damit den russischen Physiker Evgeny Lifschitz, der 1956 Casimirs Theorie erweitert hatte. Er hatte die Kraft berechnet, die zwei ungeladene Objekte aus beliebigem Material aufeinander ausüben, zwischen denen sich ein elektrisch polarisierbares Medium befindet.

          Demnach sollte für bestimmte Materialkombinationen eine abstoßende Casimir-Kraft auftreten. In diesem Fall würde das Rauschen des elektromagnetischen Feldes durch die Polarisierbarkeit der Objekte und des Mediums so verändert, dass die Nullpunktsenergie des Feldes desto geringer ist, je weiter die Objekte voneinander entfernt sind.

          Überprüfung im Experiment

          Die Forscher haben eine solche Materialkombination gefunden. Sie besteht aus Gold, Glas und Brombenzol. Damit haben sie untersucht, welche Kraft eine Quarzglasplatte auf ein 40 Mikrometer großes, vergoldetes Plastikkügelchen ausübt, wenn sich dazwischen eine dünne Schicht des flüssigen Brombenzols befindet. Das Kügelchen führten sie mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops bis auf wenige Nanometer an die Glasplatte heran. Bei einem Abstand von etwa zwanzig Nanometern trat eine abstoßende Kraft auf, die bei weiterer Annäherung an die Platte deutlich zunahm.

          Die beobachtete Abstandsabhängigkeit der Kraft stimmte im Wesentlichen mit der Vorhersage der Theorie von Lifschitz überein. In einem Kontrollexperiment nahmen die Forscher statt einer unbeschichteten Glasplatte eine vergoldete. In diesem Fall trat, wie von der Theorie vorhergesagt, eine anziehende Casimir-Kraft auf, die schließlich dazu führte, dass das Kügelchen an der Platte haftenblieb.

          Anwendungsmöglichkeiten

          Obwohl die abstoßende Casimir-Kraft deutlich schwächer ist als die anziehende, eröffnen sich mit ihr doch zahlreiche interessante Möglichkeiten. In künstlich hergestellten mikro- und nanometergroßen mechanischen Strukturen dominiert bisher die anziehende Casimir-Kraft. Sie lässt die beweglichen Teile dieser Strukturen aneinander haften und schränkt dadurch ihre Beweglichkeit ein. Die abstoßende Casimir-Kraft könnte Abhilfe schafften. Mit einer geeigneten Flüssigkeit ließe sich das Aneinanderhaften der mikroskopisch kleinen Teile verhindern und die auftretende Reibung stark verringern. Auf diese Weise könnte man mikroskopisch kleine Maschinen bauen, die sich dort noch bewegen könnten, wo sie sonst infolge der Reibung steckenbleiben würden. Auch die Nutzung des Effekts für bessere Schmiermittel ist denkbar. RAINER SCHARF

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