Kvantkraft används för att skapa färger på mycket liten skala

Bild 1 av 2
Guldflagor
Illustrationen visar hur de triangulära, mikrometerstora guldflagorna är linjerade parallellt med varandra. Därmed har de skapat ett optiskt mikrohålrum, som kan vara användbart för forskarna för att studera interaktionen mellan ljus och materia. Bild: Georgii Zograf, Chalmers/Science Advances

Forskare vid Chalmers tekniska högskola har kommit på ett sätt att observera en kvantkraft – Casimir-kraften – i realtid i mikroskop, genom att använda sig av en enkel uppsättning av små guldflagor i en saltlösning. Det uppstår dessutom vackra färger från resonansen som skapas mellan de parallella guldflagorna, och forskarna kan kontrollera färgerna genom att ändra salthalten i lösningen.

Forskargruppen har byggt vidare på sitt genombrott från 2021, som presenterades i Nature. Då kunde de visa att mikrometerstora guldflagor kan attraheras till varandra ur till synes ingenting när de möts i en salt- och vattenlösning vid rumstemperatur. Detta sker på grund av den så kallade Casimir-kraften – en svag kvantkraft som gör att objekt dras till varandra – i kombination med den elektrostatiska kraften från de elektriska laddningarna på ytan av flagorna.

Deras nya upptäckter presenteras i en vetenskaplig artikel i Science Advances. Forskarna har nu använt sig av större guldflagor, som varierar mellan från fyra till tio mikrometer i storlek, och har därmed kunnat visa att kraften fungerar även med större guldflagor än vad deras tidigare experiment visat. Forskargruppen leds av Timur Shegai, biträdande professor vid institutionen för fysik vid Chalmers, och han påpekar att det var oväntat för honom att guldflagor i en storlek på upp till tio mikrometer kan fångas och justeras av Casimir-kraften med en precision på några nanometer.

Färger uppstår i optiska resonanser

När guldflagorna möts attraheras och självmonteras de parallellt med varandra. I avståndet mellan dem, som är fyllt med vatten, uppstår färger. Detta sker tack vare så kallade optiska resonanser. Resonatorerna som bildas av de två flagorna fångar ljus och får det att studsa fram och tillbaka mellan dem. Detta är användbart för att studera interaktionen mellan ljus och materia på nanoskalan.

– För mig är det mest anmärkningsvärda att vi med våra egna ögon, i ett mikroskop i realtid, kan observera en effekt orsakad av kvantfluktuationer för så stora partiklar och belägna på så relativt stora avstånd från varandra. Detta självmonterade jämviktsavstånd är unikt, eftersom det å ena sidan är tillräckligt stort för att ge synliga optiska resonanser, det vill säga vackra färger, och å andra sidan är tillräckligt litet för att man kan utesluta påverkan från temperaturfluktuationer, säger Oleg Kotov, teoretisk huvudförfattare till artikeln.

En mångsidig och justerbar plattform

Betül Küçüköz, forskningsingenjör och huvudförfattare till Science Advances-artikeln, tillägger:

– När jag utför experimenten varierar de färger jag ser i mikroskopet från orange till grönt och rött, och så vidare. Genom att enkelt ändra salthalten i vattenlösningen kan vi justera färgerna, som orsakas av varierande avstånd mellan guldflagorna, och vi kan hoppa mellan färgerna precis som vi vill. Guldflagorna rör sig mot varandra och lägger sig i en perfekt parallell vinkel och fångas lateralt och vertikalt på grund av Casimir-attraktionskraften.

De självmonterade Casimir-mikrohålrummen presenterar en mångsidig och justerbar plattform för nanofotoniska, polaritoniska och optomekaniska tillämpningar. För Timur Shegai är dock de vackra färgerna som de sett i experimenten kanske det allra viktigaste som han tar med sig.

– Vetenskap kan vara vacker ibland. Vi vet ännu inte vad det vi funnit är bra för, förutom att det är en lovande plattform för framtida forskning. Men den estetiska aspekten är i sig själv verkligen en fantastisk start.

Exempel på de färger som genereras
Illustrationen visar några exempel från verkligheten på de färger som uppstår i hålrummet mellan guldflagorna. Bild: Georgii Zograf, Betül Kücüköz, Chalmers/Science Advances

Mer om forskningen:

Quantum trapping and rotational self-alignment in triangular Casimir microcavities publicerades i Science Advances den 24 april 2024. Den är skriven av Betül Küçüköz, Oleg V. Kotov, Adriana Canales, Alexander Yu. Polyakov, Abhay V. Agrawal, Tomasz J. Antosiewicz och Timur O. Shegai.

Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Chalmers styrkeområde Nano, Vinnovas kompetenscentrum 2D-TECH, Olle Engkvists stiftelse och Polens nationella vetenskapscentrum. Beräkningarna möjliggjordes av resurser som tillhandahölls av Swedish National Infrastructure for Computing (SNIC) vid PDC och av Interdisciplinary Centre for Mathematical and Computational Modelling vid universitetet i Warszawa.

Kontakt

Timur Shegai
  • Biträdande professor, Nano- och biofysik, Fysik
Betül Kücüköz
  • Forskningsingenjör, Nano- och biofysik, Fysik
Oleg Kotov
  • Doktor, Nano- och biofysik, Fysik

Skribent

Lisa Gahnertz