A medida que los científicos construyen máquinas cada vez más pequeñas, necesitan comprender las fuerzas invisibles que hacen que esas máquinas funcionen.
Gracias a la investigación y la iniciativa del entonces estudiante graduado de UC Merced, Jake Pate, algunas de esas fuerzas ahora se pueden medir y manipular.
Pate, quien se graduó en mayo con un doctorado en Física y ahora es investigador postdoctoral en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en Boulder, Colorado, trabajó con el profesor de física Jay Sharping en la Facultad de Ciencias Naturales. Mientras estaba en su laboratorio, Jake se acercó a los científicos de Australia con un proyecto centrado en el efecto Casimir, la fuerza que existe entre dos objetos metálicos cuando están muy juntos, pero sin tocarse.
«Esta fuerza quiere unir estos dos objetos», explicó Pate. «La fuerza de Casimir es lo suficientemente fuerte como para cambiar el comportamiento intrínseco de los objetos».
Él diseñó e hizo un dispositivo de fijación, un pequeño cono, que, cuando se coloca cerca de un tambor vibratorio a distancias nanométricas, puede detener la vibración. Con suficientes puntos, llamados «abrazaderas», los científicos pueden crear nuevas formas y nuevos comportamientos.
“Este trabajo es extremadamente importante para los sistemas microelectromecánicos (MEMS), máquinas diminutas con partes móviles”, dijo Sharping. Algunas aplicaciones comerciales comunes de MEMS incluyen impresoras de inyección de tinta; acelerómetros en automóviles que despliegan bolsas de aire; acelerómetros en controladores de juegos, teléfonos móviles, cámaras digitales y ordenadores personales; sensores de presión de silicio como los que detectan los sensores de presión de los neumáticos de los automóviles; dispositivos biomédicos como stents; transductores de ultrasonido; y altavoces diminutos, como los de auriculares y audífonos.
“Durante los últimos 10 años hemos aprendido a fabricar máquinas lo suficientemente pequeñas como para que necesitemos comprender la mecánica cuántica para comprender cómo funcionan”, dijo Sharping. “Si unes dos piezas de material, experimentan fuerzas que serían irrelevantes si estuvieran más separadas. De cerca, es posible que no se comporten como usted quiere, por lo que los objetos construidos con ellos no funcionarán como usted quiere «.
El dispositivo de Pate cambia eso, aunque la tecnología aún no lo ha alcanzado.
«Puedes hacer todo tipo de cosas con él», dijo Pate. «Puede mejorar el tambor, haciéndolo vibrar por más tiempo, cambiar la forma de las vibraciones o incluso evitar que oscile; es una forma de controlar el objeto sin siquiera tocarlo».
Los siguientes pasos serán utilizar el dispositivo de sujeción para ver si puede mejorar la sensibilidad de la fuerza de Casimir.
Hasta hace poco, los investigadores creían que el efecto Casimir solo se producía a temperaturas muy bajas, como cero absoluto, pero Pate y su equipo demuestran que la fuerza se puede utilizar y que también tiene implicaciones de gran alcance a temperatura ambiente.
«Este trabajo representa un avance importante en la medición y el control de precisión con una variedad de aplicaciones», dijo el profesor Ajay Gopinathan, presidente del Departamento de Física. «Estamos muy orgullosos de nuestros estudiantes y profesores de física que están haciendo descubrimientos fundamentales con un gran impacto».
Los resultados de su estudio se publicaron recientemente en Física de la naturaleza, con Pate como autor principal.
«Si puede medir y manipular la fuerza de Casimir en los objetos, entonces obtenemos la capacidad de mejorar la sensibilidad a la fuerza y reducir las pérdidas mecánicas, con el potencial de impactar fuertemente la ciencia y la tecnología», dijo el profesor Michael Tobar de la Universidad de Australia Occidental, quien colaboró con el grupo de Pate en el proyecto. “Para entender esto, necesitamos profundizar en la rareza de la física cuántica. En realidad, no existe un vacío perfecto, incluso en el espacio vacío a temperatura cero, las partículas virtuales, como los fotones, entran y salen de la existencia «.
Pate sintió curiosidad por las fuerzas invisibles cuando estaba haciendo cavidades de microondas en el taller de máquinas de UC Merced y notó algunos «resultados extraños». Se acercó a Tobar e impulsó la colaboración, lo que le permitió vivir en Australia durante tres meses.
«Jake realmente creó esta oportunidad para él y para nuestro equipo, y fue genial para él, para nosotros y para ambas universidades», dijo Sharping. “Es un ejemplo perfecto de cómo nuestros estudiantes no tienen miedo de hacer cosas que otras personas no intentarían, como buscar ayuda en otra universidad. La ciencia funciona mejor cuando hay más científicos para hablar entre ellos «.
Lea Una fuerza de la “nada” utilizada para controlar y manipular objetos para obtener más información sobre esta investigación.
Referencia: «Casimir spring and dilution in macroscopic cavvity optomechanics» por JM Pate, M. Goryachev, RY Chiao, JE Sharping y ME Tobar, 3 de agosto de 2020, Física de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41567-020-0975-9