THREE WAYS TO LEVITATE A MAGIC CARPET

Three ways to Levitate a Magic Carpet

It sounds like a science fiction joke, but it isn’t. What do you get when you turn an invisibility cloak on its side? A mini flying carpet. So say physicists who believe the same exotic materials used to make cloaking devices could also be used to levitate tiny objects. In a further breakthrough, two other research groups have come a step closer to cracking the mysteries of levitation.

Scientists have levitated objects before, most famously using powerful magnetic fields to levitate a frog. But that technique, using the repulsive force of a giant magnet, requires large amounts of energy. In contrast, the latest theories exploit the natural smaller amounts of energy produced by the quantum fluctuations of empty space.

In May 2006, two research teams led by Ulf Leonhardt at St Andrew’s University, UK, and John Pendry at Imperial College, London, independently proposed that an invisibility cloak could be created from exotic materials with abnormal optical properties. Such a cloaking device – working in the microwave region – was manufactured later that year.

The device was formed from so-called ‘meta materia Is’ exotic materials made from complex arrays of metal units and wires. The metal units are smaller than the wavelength of light and so the materials can be engineered to precisely control how electromagnetic light waves travel around them. They can transform space, tricking electromagnetic waves into moving along directions they otherwise wouldn’t,’says Leonhardt.

Leonhardt and his colleague Thomas Philbin, also at St Andrew’s University, realised that this property could also be exploited to levitate extremely small objects. They propose inserting a metamaterial between two so-called Casimir plates. When two such plates are brought very close together, the vacuum between them becomes filled with quantum fluctuations of the electromagnetic field. As two plates are brought closer together, fewer fluctuations can occur within the gap between them, but on the outer sides of the plates, the fluctuations are unconstrained. This causes a pressure difference on either side of the plates, forcing the plates to stick together, in a phenomenon called the Casimir effect.

Leonhardt and Philbin believe that inserting a section of metamaterial between the plates will disrupt the quantum fluctuations of the electromagnetic field. In particular, metamaterials have a negative refractive index, so that electromagnetic light waves entering a metamaterial bend in the opposite way than expected, says Leonhardt.That will cause the Casimir force to act in the opposite direction – forcing the upper plate to levitate. The work will appear in the New Journal of Physics.

Federico Capasso, an expert on the Casimir effect at Harvard University in Boston, is impressed.’Using metamaterials to reverse the Casimir effect is a very clever idea,’ he says.

However, he points out that because metamaterials are difficult to engineer, it’s unlikely that they could be used to levitate objects in the near future.

But there are good signs that quantum levitation could be achieved much sooner, by other methods. Umar Mohideen at the University of California Riverside and his colleagues have successfully manipulated the strength of the Casimir force by increasing the reflectivity of one of the plates, so that it reflects virtual particles more efficiently. Modifying the strength of the Casimir force is the first step towards reversing it, says team member Galina Klimchitskaya at North-West Technical University in St Petersburg, Russia.

Capasso and his colleagues have also been working on an alternative scheme to harness a repulsive Casimir effect Their calculations show that a repulsive Casimir force could be set up between a 42.7 micrometre-wide gold-coated polystyrene sphere and a silicon dioxide plate, if the two are immersed in ethanol. ‘Although the Casimir force between any two substances – the ethanol and gold, the gold and

Ba cách để làm một tấm thảm ma thuật bay lên

Nghe có vẻ giống như một trò đùa khoa học viễn tưởng, nhưng thực tế không phải vậy. Bạn nhận được gì khi lật một chiếc áo tàng hình? Một tấm thảm bay cỡ nhỏ. Vì vậy, các nhà vật lý tin rằng những vật liệu kỳ lạ tương tự được sử dụng để chế tạo thiết bị che giấu, cũng có thể được sử dụng để nâng các vật thể nhỏ bé bay lên. Trong một bước đột phá sâu hơn, hai nhóm nghiên cứu khác đã tiến một bước gần hơn đến việc khám phá những bí ẩn của thủ thuật làm các đồ vật bay lên.

Các nhà khoa học đã từng làm các vật thể bay lên trước đây, nổi tiếng nhất là sử dụng từ trường mạnh để nâng một con ếch. Nhưng kỹ thuật sử dụng lực đẩy của một nam châm khổng lồ đó đòi hỏi một lượng lớn năng lượng. Ngược lại, các lý thuyết mới nhất khai thác một lượng nhỏ năng lượng được tạo ra tự nhiên bởi các dao động lượng tử của không gian trống.

Vào tháng 5 năm 2006, hai nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Ulf Leonhardt tại Đại học St Andrew’s, Vương quốc Anh và John Pendry tại Đại học Imperial, London, đã đề xuất một cách độc lập rằng một chiếc áo choàng tàng hình có thể được tạo ra từ những vật liệu kỳ lạ có đặc tính quang học bất thường. Một thiết bị che giấu như vậy – hoạt động trong vùng vi sóng – đã được sản xuất vào cuối năm đó.

Thiết bị này được hình thành từ những vật liệu kỳ lạ gọi là “meta materia Is” được làm từ các mảng kim loại và dây phức tạp. Các đơn vị kim loại nhỏ hơn bước sóng ánh sáng và do đó các vật liệu này có thể được tạo ra để điều khiển chuẩn xác cách sóng ánh sáng điện từ truyền xung quanh chúng. Leonhardt nói: Chúng có thể biến đổi không gian, đánh lừa các sóng điện từ di chuyển theo các hướng khác với bình thường.

Leonhardt và đồng nghiệp Thomas Philbin, cũng tại Đại học St Andrew’s, nhận ra rằng tính chất này cũng có thể được tận dụng để nâng những vật cực kỳ nhỏ. Họ đề xuất chèn một siêu vật liệu vào giữa hai cái gọi là đĩa Casimir. Khi hai đĩa như vậy được đưa đến rất gần nhau, bầu chân không giữa chúng được lấp đầy các dao động lượng tử của trường điện từ. Khi hai đĩa được đưa lại gần nhau hơn, ít dao động hơn có thể xảy ra trong khoảng cách giữa chúng, nhưng ở mặt ngoài của các đĩa, dao động không bị giới hạn. Điều này gây ra sự chênh lệch áp suất ở một trong hai bên của các đĩa, buộc chúng dính lại với nhau trong một hiện tượng được gọi là hiệu ứng Casimir.

Leonhardt và Philbin tin rằng việc chèn một phần siêu vật liệu vào giữa các đĩa sẽ phá vỡ các dao động lượng tử của trường điện từ. Đặc biệt, siêu vật liệu có chiết suất âm, do đó sóng ánh sáng điện từ đi vào siêu vật liệu bị bẻ cong theo hướng ngược lại so với dự kiến, Leonhardt cho biết. Điều này sẽ khiến lực Casimir tác động theo hướng ngược lại – đẩy đĩa bên trên bay lên. Công trình này sẽ xuất hiện trên Tạp chí Vật lý Mới.

Federico Capasso, một chuyên gia về hiệu ứng Casimir tại Đại học Harvard ở Boston, rất ấn tượng: “Sử dụng siêu vật liệu để đảo ngược hiệu ứng Casimir là một ý tưởng rất thông minh,” ông nói.

Tuy nhiên, ông chỉ ra rằng vì siêu vật liệu rất khó chế tạo, nên khó có khả năng chúng có thể được sử dụng để làm các vật thể bay lên trong tương lai gần.

Nhưng có những dấu hiệu tốt cho thấy có thể hiện thực hóa sự nâng lượng tử sớm hơn nhiều, bằng các phương pháp khác. Umar Mohideen tại Đại học California Riverside và các đồng nghiệp của ông đã vận dụng thành công sức mạnh của lực Casimir bằng cách tăng hệ số phản xạ của một trong các đĩa, giúp nó phản xạ các hạt ảo hiệu quả hơn. Thành viên nhóm Galina Klimchitskaya tại Đại học Kỹ thuật North-West ở St Petersburg, Nga cho biết, điều chỉnh sức mạnh của lực Casimir là bước đầu tiên để đảo ngược nó.

Capasso và các đồng nghiệp của ông cũng đang nghiên cứu một kế hoạch thay thế để kiểm soát hiệu ứng đẩy Casimir. Tính toán của họ cho thấy lực đẩy Casimir có thể được thiết lập giữa một quả cầu polystyrene ( nhựa nhiệt dẻo) phủ vàng rộng 42,7 micromet và một tấm silicon dioxide, nếu cả hai được ngâm trong etanol. “Mặc dù lực Casimir giữa hai chất bất kỳ – etanol và vàng, vàng