Messung der Casimirkraft mit parallelen Platten

Als einer der wenigen bekannten Quanteneffekte, die auf der Makro-Skala auftreten, wurde dem Casimir Effekt seit seiner Entdeckung 1948 großes Interesse entgegengebracht. Dennoch gelang die experimentelle Verifizierung erst ein halbes Jahrhundert später mit der Hilfe modernster Messtechnik. Seit diesem Zeitpunkt wurde der Effekt für verschiedene Geometrien und Materialien untersucht, wobei die Abweichungen zwischen Theorie und Experiment auf unter ein Prozent der Messwerte reduziert werden konnten. Die meisten Experimente, welche bis heute durchgeführt wurden, basierten auf der Geometrie einer Kugel gegenüber einer Platte, wodurch das Problem Platten parallel zu halten vermieden wurde. Der Nachteil ist, dass eine theoretische Beschreibung in diesem Fall nur approximativ möglich ist, was eine mögliche Fehlerquelle darstellt. In der Literatur gibt es seit langem eine Debatte über die Theorie thermischer Korrekturen zum Casimir Effekt. Die Resultate von Präzisionsmessungen bei kurzen Distanzen führten bereits zum Ausschluss des Drude- Modells, welches als möglicher Kandidat galt. Eine endgültige Antwort in diesem Zusammenhang kann nur durch ein Experiment bei größeren Abständen (mehr als 1&mikro;m) gegeben werden, da die thermischen Korrekturen hier die ideale Kraft übertreffen. Jedoch sind derartige Messungen auf Grund der niedrigen Signalamplitude stark fehlerbehaftet. Eine mögliche Lösung dieses Problems ist durch die Verwendung großflächiger Platten gegeben, wodurch der Kraft entsprechend skaliert würde. Relative Fehler unter 10 % der Messwerte bei Distanzen über 4 &mikro;m sollten dadurch erreichbar sein, was eine definitive Antwort auf die Frage nach dem korrekten Ansatz für thermische Korrekturen ermöglichte. Ein weiterer interessanter Effekt auf der Mikro-Skala ist der Übergang von klassischem, nicht gleitendem zu gleitendem Verhalten an Grenzen zwischen Flüssigen und festen Körpern bei kurzen Abständen. Dieses Phänomen ist nicht zur Gänze verstanden und wurde unlängst mittels eines Rasterkraftmikroskops (AFM), ähnlich wie es für Casimirexperimente eingesetzt wird, untersucht. Es wurde auch gezeigt, dass hydrodynamische Kräfte in der Analyse von Messungen quantenmechanischer Kräfte unter allgemeinen Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden müssen. Auch hier könnte mittels paralleler Platten größere Genauigkeit erzielt werden, da diese in natürlicher Weise den oft bei der Lösung der Navier-Stokes-Gleichung angenommenen Randbedingungen unendlich ausgedehnter Oberflächen, relativ gut entsprechen. Es soll nun vorgeschlagen werden, ein AFM-Experiment mit parallelen Platten zu entwickeln, welches die Messung beider oben erwähnter Effekte mit großer Genauigkeit ermöglicht. Fortgeschrittene Regelungsmechanismen, wie sie in der Literatur demonstriert wurden, sollen das Problem des Haltens der Parallelität zu lösen. Das Ziel ist, eine relative Ausrichtung besser als 1 mrad zu erreichen. In vergleichbaren Experimenten erprobte dynamische Kalibrier- und Messtechniken sollen eingesetzt werden, um eine eindeutige Entscheidung bezüglich thermischer Korrekturen zum Casimireffekt zu erzielen. Die Konstruktion soll so ausgelegt werden, dass ein beliebiges flüssiges oder gasförmiges Medium zwischen den Platten eingebracht werden kann. Dies soll die Untersuchung des Übergangs von nicht gleitendem zu gleitendem Verhalten an den Grenzflächen bei Abständen zwischen einigen &mikro;m bis 100 nm ermöglichen. Der in diesem Projekt konstruierte Apparat soll als Grundlage für unterschiedliche zukünftige Experimente dienen. Das gewonnene Wissen des Antragstellers kann auf unterschiedliche Weise in der Nanotechnologie eingesetzt werden und schließt eine Lücke in der wissenschaftlichen Landschaft Österreichs - Casimirphysik.