미국의 물리학자들은 10 년동안 논의되어 온 카시미르 힘이 두 개의 금속 물체에 대해서 어떻게 계산되어야 하는지에 대한 종지부를 찍는 연구를 수행하였다. 카시미르 힘은 미세한 거리로 떨어진 물체에 영향을 미친다. 그들은 금속을 당구공 같은 양이온과 전자들의 집단으로 다루는 이른바 드루드(Drude) 모델이 전자들이 고정된 양이온의 격자 주위를 움직인다고 가정하는 플라즈마 모델보다 더 적합하다고 말하였다. 어떻게 힘을 결정하는 가를 이해하는 것은 마이크로미터 및 나노미터 크기의 기계를 디자인하는데 있어서 중요한 역할을 한다.

카시미르 힘은 1948년 네델란드의 물리학자인 헨드릭 카시미르(Hendrik Casimir)에 의해서 처음으로 예견되었다. 그는 두개의 대전되지 않은 완벽한 전도성 금속판이 진공에서 서로 반대로 놓여있을 때 무엇이 발생하는지에 대해서 연구하였다. 양자 역학에 따르면, 진공에서 전자기파의 에너지는 0 이 아니고 특정한 중간값 주위에서 연속적으로 요동친다고 한다. 그러나 공명은 특정한 파장만이 특정한 거리에 떨어진 두 개의 판 사이에서 존재한다는 것을 의미한다.

카시미르가 판 밖의 파의 방사압력은 판 사이에서의 압력보다 약간 더 큰 경향이 있다는 것이다. 이 결과로 서로 인력이 발생할 것이다. 그것은 매우 작기 때문에, 카시미르 힘은 1997년전까지는 측정하기가 극도로 어려웠다. 미국 와상톤 대학의 스티브 라모록스(Lamoreaux)는1997년 카시미르 이론을 처음으로 확인하는 실험을 수행하여 증명하였다. 비록 라모록스와 다른 연구자들이 더 좋은 측정을 하였지만, 카시미르 힘이 실질적인 물체에서 어떻게 계산되는지에 관해서는 알려진 것이 없다.

비록 성공적인 카시미르 측정은 두 개의 금 표면에서 수행되었지만, 문제는 금은 완벽한 전도체가 아니라는 것이다. 이것은 전자기파가 금속안의 일정한 거리까지 침투할 수 있다는 것을 의미한다. 금속이 완벽한 전도체일 때 보다도, 표면 사이의 간격은 효과적으로 더 크며 힘은 더 약해진다고 이 연구에 참여하지 않은 카시미르 힘에 대한 연구를 수행하고 있는 전문가인 파리스 서드(Paris Sud) 대학의 토스텐 에미그(Thorsten Emig)는 설명하였다.

플라즈마 모델과 드루드 모델 모두 짧은 파장의 빛이 어떻게 금속 표면과 상호작용하는지를 기술하는데 모두 양호하다. 그것들은 따라서 약 1 마이크로미터 이하의 비교적 짧은 간격에 대해서 카시미르 힘을 계산하는데 사용될 수 있다. 그러나 멀리 떨어진 거리에서는 모델들이 달라진다. 플라즈마 모델은 간격안의 전자기파의 “정적인 횡축” 전기적 모드가 카시미르 힘에 기여한다고 예측하는 반면에, 드루드 모델은 그렇지 않다고 예측한다. 불행히도, 물리학자들은 모든 간격에 대해서 어떤 모델이 잘 작동하는지 충분히 먼거리 상에서 카시미르 힘을 측정할 수 있는 도구를 가지지 못하였다.

이들 연구진은 100 나노미터에서 2 마이크로미터에 이르는 광범위한 거리에 걸쳐 카시미르 힘을 측정하였다. 그렇게 함으로써, 연구진은 처음으로 드루드 모델이 장거리와 단거리에서 가장 잘 작동한다는 것을 보였다. 카시미르가 그의 이론을 평행한 판에 대해서 공식화시켰지만, 실질적으로 실험을 수행하기에 충분히 판을 정렬시키기가 어렵기 때문에 카시미르 힘을 측정하는 것은 어려웠다. 1997년 라모록스의 혁신적인 실험은 금속판과 금속구 사이에 힘을 측정하는 것이었으며, 그들은 정확한 정렬을 필요로 하지 않은 정렬을 이용하였다.

그의 최근 실험은 반지름이 4 밀리미터인 금으로 덮인 구와 극도로 얇은 구리로 코팅된 실리콘 질화물(silicon nitride)의 멤브레인 사이에 힘을 측정하는 것이었다. 멤브레인은 단지 수백 나노미터 두께이며 금 코팅은 200 나노미터 두께이다. 이 결과적인 금 표면의 중요한 특징은 전체 멤브레인에 걸쳐 3 나노미터 이하로 평탄하다는 것이다. 멤브레인은 피에조 전기 액추에이터를 사용하여 진동되는 실리콘 프레임을 가로질러 드럼 같이 늘어난다.

구를 금표면의 약 1 마이크로미터 안으로 가져옴으로써 측정이 이루어졌다. 멤브레인 진동의 모니터링은 광섬유 간섭계를 이용하였다. 카시미르 힘의 존재는 멤브레인이 어떻게 진동하는지에 대한 영향을 측정함으로써 검출될 수 있다. 힘은 약 100 나노미터와 2 마이크로미터 사이에서 변하는 간격에 의해 측정된다. 이론적으로, 금속 표면상의 모든 점들은 동일한 전기적 포텐셜에 있어야 하지만, 실질적으로 표면에 흡착된 분자들은 포텐셜을 변화시켜 비교적 멀리 떨어진 곳에서, 힘 측정에 영향을 미칠 수 있다. 이런 효과를 허용하기 위해, 연구진은 위치의 함수로써 표면 포텐셜을 측정하기 위해 몇 개의 멤브레인을 가로질러 구를 스캔하였다.

이것은 연구진이 카시미르 힘을 측정하기 위한 가장 작은 변이를 가진 멤브레인을 선택할 수 있게 해 주었다. 이런 스캔으로 얻은 정보는 또한 측정중에 공간적 변이에 대한 교정을 위해 사용되었다. 드루드 모델이 카시미르 힘을 기술하는데 가장 좋다는 것을 보여줄 뿐만 아니라, 이 연구는 또한 카시미르 측정에서 표면을 가로질러 포텐셜의 변화도 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었다. 실제로, 연구진은 카시미르 측정에서 중요한 다음 단계는 구의 표면상에서 포텐셜 변화를 측정하는 것이라고 말하였다. 만약에 성공적이라면, 이것은 라모록스가 카시미르 힘을 이해하는데 중요한 다음 단계라고 여기는, 더 큰 간격에서 측정을 가능하게 해 줄 것이다. 이들의 연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 발표되었다.

첨부그림: 카시미르 힘을 측정하는데 사용된 디바이스를 보여주는 그림. 실리콘 질화물 나노멤브레인은 회색으로 보이며 금표면은 노란색으로 보인다.