The Casimir force and micro-electromechanical systems at submicron-scale separations

Casimir-kracht tussen ruwe oppervlakken

Het proefschrift van Wijnand Broer gaat over meting van de zogenaamde Casimir-kracht en over hoe oppervlakteruwheid daarbij als complicerende factor  kan optreden.

Volgens de kwantummechanica is het vacuüm niet leeg, maar bevat het allerhande virtuele deeltjes. De energie van deze deeltjes heet nulpuntsenergie. Als twee oppervlakken zich dicht bij elkaar bevinden, creëren zij een verschil tussen de nulpuntsenergieën ertussenin en de nulpuntsenergieën erbuiten. Hierdoor worden de oppervlakken naar elkaar toe getrokken. Dit fenomeen heet het Casimir-effect. Het is gebleken dat de Casimir-kracht een generalisatie is van de bekendere Van der Waalskracht.

Pas sinds kort stelt de technologie ons in staat om de Casimir-kracht rechtstreeks te meten. Een deel van dit proefschrift gaat over een complicatie die optreedt bij dit soort metingen; namelijk dat een echt oppervlak geen mooie gladde vorm heeft, maar meestal juist ruw is. Oppervlakteruwheid beïnvloedt de Casimir-kracht vooral op relatief kleine afstanden van één tien miljoenste meter of kleiner. Deze invloed blijkt in grote mate te worden bepaald door een klein aantal hoge oneffenheden in het oppervlak. In het proefschrift van Broer wordt een model geïntroduceerd dat metingen van de Casimir-kracht tussen ruwe oppervlakken reproduceert.

De Casimir-kracht is onontkoombaar: het bestaan van virtuele deeltjes kan niet zomaar worden ‘uitgezet’. Hoe kleiner de afstand tussen de oppervlakken, des te groter de Casimir-kracht. Op kleine afstanden is zij daarom van belang voor de technologie van zogeheten micro-elektromechanische systemen (MEMS), zoals bijvoorbeeld microschakelaars of versnellingsmeters. De Casimir-kracht blijkt een aanzienlijke invloed uit te oefenen op de beweging van onderdelen van MEMS op kleine afstanden. Deze beweging kan bijvoorbeeld onvoorspelbaar worden. De ruwheid van oppervlakken maakt de beweging hier minder vatbaar voor.

Het onderzoek van Wijnand Broer werd uitgevoerd bij het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG. Broer gaat door met onderzoek als postdoc aan de University of Rostock (Duitsland).