Virtuelle Photonen verdrehen Flüssigkristall

College Park (USA) - Stehen sich zwei Metallplatten im tiefgekühlten Vakuum gegenüber, ziehen sie sich etwas an. Dieser Casimir-Effekt – 1948 vom niederländischen Physiker Hendrik Casimir vorhergesagt und zehn Jahre später im Experiment bestätigt – beruht auf allgegenwärtigen Quantenfluktuationen virtueller Lichtteilchen. Da die Dichte dieser virtuellen Photonen zwischen den Platten jedoch geringer als außerhalb ist, werden die Platten zusammengedrückt. Nun gelang es amerikanischen Physikern erstmals, nicht nur diese Casimir-Kraft, sondern auch ein Casimir-Drehmoment exakt zu messen. In der Fachzeitschrift „Nature“ berichten sie, wie sie diesen Effekt über die Verdrehung von Flüssigkristallen nachweisen konnten. So klein der Effekt auch sein mag, könnte er in Zukunft sogar eine Anwendung als Antrieb von Teilchen auf der Nanoskala finden.

„Um das Casimir-Drehmoment zu messen, müssen zwei flache, größere Objekte sehr nah zueinander gebracht werden“, sagt Jeremy Munday von der University of Maryland in College Park nahe Washington, DC. Für seine Experimente wählte er gemeinsam mit seinen Kollegen lichtdurchlässige Kristalle wie Kalkspat oder Lithiumniobat. Diese Kristalle bewegten sie sehr nah bis auf einige millionstel Millimeter an einen beweglichen Flüssigkristall heran. Die Idee dahinter: Die wirkenden Casimir-Kräfte, verursacht durch die Fluktuationen virtueller Lichtteilchen im extrem schmalen Zwischenraum, sollten groß genug sein, um den Flüssigkristall zu verdrehen.

Für den Nachweis dieser Drehung eignen sich Flüssigkristalle ideal. Denn auch in Flachbildschirmen genügen geringe elektrische Spannungen, um die Kristalle nach Wunsch in jedem einzelnen Bildpunkt (Pixel) zu verdrehen. Nun schickten Munday und Kollegen polarisiertes Licht durch Kristall und Flüssigkristall, um es hinter dem Experiment mit einem Lichtsensor wieder nachzuweisen. Kam der feste Kristall nun dem Flüssigkristall extrem nah, drang signifikant weniger Licht durch die Kristalle bis zum Sensor. Der Flüssigkristall wurde also tatsächlich über den Casimir-Effekt verdreht und ließ weniger Licht hindurch als in seiner ursprünglichen Ausrichtung.

Die Physiker analysierten das vom Lichtsensor aufgefangene Licht und sahen einen engen Zusammenhang mit dem Abstand des festen Kristalls zum Flüssigkristall. Je kürzer dieser Abstand war, desto stärker war die Verdrehung des Flüssigkristalls. Die dabei wirkenden Drehmomente lagen in der Größenordnung von nur einigen milliardstel Newtonmetern. Doch so schwach dieser Casimir-Effekt auch sein mag, könnte er in Zukunft für die Kontrolle von Nanoteilchen genutzt werden. „Die Beobachtung des Casimir-Drehmoments ist ein Schlüsselbeitrag zur Grundlagenphysik mit weitreichenden Auswirkungen“, sagt Slobodan Žumer von der Universität Ljubljana in Slowenien in einem begleitenden Kommentar. Munday und Kollegen indes wollen in weiteren Versuchen eine Vielzahl optischer Materialien nutzen, um die Messungen des Casimir-Drehmoments weiter zu verfeinern.