Der Casimir-Effekt: Von quantenmechanischen zu kritischen Fluktuationen

Der Casimir-Effekt in der quantenelektrodynamik (QED) ist vielleicht das bekannteste Beispiel für eine durch Fluktuationen induzierte, langreichende Kraft, die auf Objekte (leitende Platten) wirkt, die in einem fluktuierenden Medium (quantemelektromagnetisches Feld im Vakuum) eingetaucht sind. Ein ähnlicher Effekt tritt in der statistischen Physik auf, wo die Kraft, die z. B. auf kolloidale Partikel in einer binären Flüssigkeitsmischung wirkt, durch die klassischen thermalen Fluktuationen im umgebenden Medium beeinflusst wird. Die resultierende, Casimir-ähnliche Kraft erwirbt universelle Eigenschaften, wenn man sich einem kritischen Punkt des Mediums nähert und wird an kritischer Stelle langreichend. Diese Universalisierung ermöglicht es, die Temperaturabhängigkeit der Kraft theoretisch durch repräsentative Modelle zu untersuchen und die entsprechenden Vorhersagen in Experimenten streng zu testen. Im Gegensatz zur QED kann die aus kritischen Fluktuationen resultierende Casimir-Kraft einfach hinsichtlich ihrer Stärke und ihres Vorzeichens durch Oberflächenbehandlungen und Temperaturkontrolle abgestimmt werden. Wir präsentieren einige aktuelle Fortschritte in der theoretischen Untersuchung der universellen Eigenschaften der kritischen Casimir-Kraft, die in dünnen Filmen auftritt. Die entsprechenden Vorhersagen stimmen sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen überein, die für Benetzungs-Schichten verschiedener Flüssigkeiten gewonnen wurden. Wir erörtern, wie die Casimir-Kraft zwischen einem kolloidalen Partikel und einer planaren Wand in einer binären Flüssigkeitsmischung mit femto-Newton-Genauigkeit gemessen wurde und vergleichen diese experimentellen Ergebnisse mit den entsprechenden theoretischen Vorhersagen.