Im Vakuum verursachen Quantenfluktuationen eine anziehende Wechselwirkung zwischen Nanobauteilen. Bislang ließ sich diese Casimirkraft nur beim absoluten Temperaturnullpunkt exakt berechnen. Alexej Weber von der Universität Heidelberg und Holger Gies von der Universität Jena haben sie jetzt aber auch bei höheren Temperaturen analysiert – mit numerischen Simulationen einer Kugel über einer Platte.

Dabei verwendeten die Forscher so genannte Weltlinien: geschlossene Pfade virtueller Vakuumteilchen. Diese füllen den Raum um die Nanokugel und die Platte aus und tragen nur dann zur Casimirkraft bei, wenn sie beide Objekte schneiden. Bei Nulltemperatur erfüllen sehr enge Pfade diese Bedingung am besten. Daher sei in diesem Fall die Casimirkraft bei kleinen Abständen am stärksten, so Weber. Oberhalb der Nulltemperatur liefern ausgedehnte Weltlinien jedoch einen zusätzlichen, thermischen Beitrag zur Anziehungskraft. „Stellt man sich die Weltlinie als Kreisfläche vor, die irgendwo auf der Platte aufsetzt, so schneidet sie eine weiter entfernte Kugel eher als eine nahe“, erläutert Weber (siehe Grafik). Folglich nimmt die thermische Kraft wie bei einem Gummiband mit dem Abstand zu. Allerdings, so die Forscher, gebe es eine temperaturabhängige Grenzdistanz, jenseits derer sie wieder schwächer werde – was sich mit dem Reißen des Gummibands vergleichen lässt.

Die neuen Erkenntnisse haben praktische Bedeutung für künftige Nanobauteile, die prinzipiell nicht am absoluten Temperaturnullpunkt operieren können. Bei ihrem Design wird die thermische Casimirkraft zu berücksichtigen sein.

Vera Spillner