Forze di Casimir su membrane dielettriche sottili sospese e ricoperte di grafene

Abstract degli autori

Studiamo la forza di Casimir su sottili strati dielettrici sospesi e ricoperti di grafene, sia sul piano teorico sia sperimentale. Gli effetti termici della forza di Casimir sul grafene si manifestano a distanze significativamente inferiori rispetto a quelle dei metalli e dei dielettrici ordinari. A distanze così ridotte, la forza di Casimir è abbastanza intensa da poter essere misurata sperimentalmente. Tuttavia, la presenza di substrati che sostengono il grafene riduce sensibilmente il potenziamento. Mostriamo teoricamente che sostituire il substrato solido sotto il grafene con una sottile membrana dielettrica ripristina in parte questa forte dipendenza termica. Uno degli oggetti che interagiscono è una piastra solida d’oro. L’altro è una membrana dielettrica sospesa, costituita da 15 nm di ossido di silicio oppure da 13 nm di nitruro di silicio e ricoperta di grafene. A una distanza di $\sim$500 nm, le previsioni teoriche indicano variazioni della pressione di Casimir fino al 54% e al 40%, rispettivamente per l’ossido di silicio e il nitruro di silicio, quando la temperatura viene aumentata da 10 K a 294 K. Le misurazioni sono state effettuate a temperatura ambiente sul grafene depositato su una membrana sospesa di nitruro di silicio, utilizzando come sensore di forza una sfera rivestita d’oro fissata a un cantilever. Il gradiente della forza misurato è coerente con la previsione teorica, sebbene non sia stato possibile risolvere la dipendenza termica, in parte a causa delle incertezze sulle proprietà ottiche del nitruro di silicio. Sostituire un substrato massivo con una sottile membrana dielettrica ricoperta di grafene riduce considerevolmente la forza di Casimir e può facilitare il funzionamento stabile di elementi nanomeccanici neutri a distanze ridotte.