Casimir Kuvveti

Casimir kuvveti ile ilgili araştırmalarda kullanılan bir atomik kuvvet mikroskobu

İletken, yüksüz iki levhanın birbirine paralel biçimde boşlukta konumlandırıldığını düşünelim. Klasik elektromanyetik kuram levhalara net bir elektriksel kuvvet etki etmeyeceğini söyler. Ancak gerçekte durum çok daha farklıdır. Kuantum elektrodinamiği kullanılarak yapılan hesaplar, levhalara Casimir kuvveti olarak adlandırılan bir kuvvet etki edeceğini söyler ve bu tahmin deneylerle de doğrulanır.

Kuantum mekaniği boş uzayın aslında sürekli olarak var olup yok olmakta olan sanal parçacıklarla dolu olduğunu söyler. Kuantum elektrodinamiğinde elektrik yüklü parçacıklar sanal fotonlar aracılığıyla etkileşir. Yüksüz levhalara etki eden Casimir kuvveti de sanal fotonlarla levhalar arasındaki etkileşimden kaynaklanır.

Casimir kuvveti, levhalar arasındaki mesafe makro büyüklükte olduğunda çok zayıftır. Ancak levhalar arasındaki mesafe azaldıkça kuvvet giderek büyür. Öyle ki mesafe 10 nanometre (metrenin yüz milyonda biri) civarına düştüğünde levhalara etki eden Casimir kuvvetinin büyüklüğü bir atmosfer basınç altında levhalara etki eden mekanik kuvvetle karşılaştırılabilecek düzeydedir.

Sadece iletken cisimler arasında değil yalıtkan cisimler arasında da Casimir kuvvetleri vardır. Kuvvetin itici mi yoksa çekici mi olduğu cisimlerin türüne ve biçimine göre değişir.

Casimir kuvveti ile ilgili önemli bir gelişme yakın zamanlarda yaşandı. Geçmişte özdeş (bileşimi, büyüklüğü ve biçimi aynı) iki cisim arasındaki Casimir kuvvetinin her zaman çekici olduğunu söyleyen bir teorem vardı. Ancak Qing-Dong Jiang ve Franck Wilczek, bu teoremde bir eksiklik tespit etti ve bazı durumlarda özdeş cisimler arasındaki itici Casimir kuvvetlerinin ortaya çıkmasının da mümkün olduğunu gösterdi.

Araştırmacılar, Physical Review B’de yayımladıkları makalelerinde cisimlerin arasındaki boşluğun kiral (farklı polarizasyona* sahip fotonlarla farklı biçimde etkileşen) bir malzemeyle doldurulduğu bir durumu ele alıyorlar. Farklı polarizasyona sahip sanal fotonlar, kiral malzeme içinde farklı hızlarla hareket ediyor ve bu durum Casimir kuvvetine farklı oranda katkıda bulunmalarına sebep oluyor. Araştırmacıların yaptığı hesaplar, böyle bir sistemdeki Casimir kuvvetinin cisimlerin arasındaki mesafeye bağlı olarak çekici ya da itici olabileceğini gösteriyor. İtici kuvvetin büyüklüğü sıradan bir sistemdeki çekici kuvvetin üç katına kadar çıkabiliyor. Araştırmacılar, ayrıca, harici manyetik alanların varlığında Casimir kuvvetinin büyüklüğünün değişeceğini de gösteriyorlar. Bu durum manyetik alanlar yardımıyla Casimir kuvvetinin büyüklüğünün kontrol edilebileceği anlamına geliyor.

*Polarizasyon: Işık ışınları beraberlerinde elektrik ve manyetik alan taşır. Polarizasyon elektrik ve manyetik alanların hareket sırasındaki dönme yönlerini ifade eder.

Sağ polarize ışık: Işık ışını sağa doğru yol alıyor. Sağ elin baş parmağı ışığın hareket yönünü gösterirken elektrik alan diğer dört parmağın sarılma yönünde dönüyor.