Экспериментально зарегистрирован динамический эффект Казимира

Физики из Швеции, США и Японии описали первый случай наблюдения динамического эффекта Казимира.

Напомним: в квантовой теории поля вакуум рассматривается не как абсолютно пустое пространство, а как область, в которой постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Учёные довольно быстро поняли, что эти флуктуации вакуума могут давать поддающиеся измерению результаты — к примеру, лэмбовский сдвиг, смещение уровней энергии связанных состояний электрона во внешнем поле.

С рождением и исчезновением виртуальных частиц связан и «обычный» эффект Казимира, который чаще всего объясняют на примере двух зеркал (проводящих незаряженных пластин), помещённых в вакуум. При сближении такие пластины, как в 1948 году выяснил Хендрик Казимир, должны испытывать заметное взаимное притяжение. Можно сказать, что рождение виртуальных фотонов подавляется в узком зазоре между незаряженными поверхностями, а во всём остальном пространстве — ничем не ограничено. Поскольку фотоны оказывают давление на зеркала, в опытах регистрируется сила притяжения.

Динамический эффект Казимира, предсказанный около сорока лет назад, имеет ту же физическую основу и описывается как рождение реальных фотонов из вакуума в нестационарной полости. Нестационарность может обеспечиваться, скажем, перемещением ограничивающей полость стенки, причём двигаться она должна со скоростью, отношение которой к скорости света достаточно велико.

Реализовать такой эксперимент с использованием какого-то материального зеркала, совершающего механическое движение, чрезвычайно трудно: соотношение скоростей будет невысоким, энергозатраты — огромными, а частота появления фотонов — мизерной. Авторы, разумеется, знали об этом и разработали свою методику, лишённую указанных недостатков.

Задействованный в эксперименте СКВИД под сканирующим электронным микроскопом (иллюстрация авторов работы).

Основными элементами предложенной опытной схемы стали линия передачи и находящееся у её окончания простейшее СКВИД-устройство (SQUID, superconducting quantum interference device). Оно представляет собой кольцо с двумя джозефсоновскими контактами — сверхпроводниками, отделёнными друг от друга тонким слоем диэлектрика. В нашем случае эта сверхпроводящая конструкция используется в качестве переменной индуктивности, для чего в эксперименте варьируют величину внешнего магнитного потока через петлю СКВИДа.

Такие изменения можно представить как колебания электрической длины линии передачи. Варьирование электрической длины в математическом смысле аналогично механическому движению.

Как показывает практика, эффективную скорость «движения зеркала» в этой схеме (темп изменения электрической длины) можно сделать достаточно большой, что на порядки увеличивает частоту появления частиц. Выполнив необходимые расчёты и охладив установку до 50 мК, физики попробовали зарегистрировать рождающиеся кванты электромагнитного излучения — и обнаружили искомые сверхвысокочастотные фотоны.

Препринт обсуждаемой статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам Technology Review.