Präzissionsmessungen an kolloidalen Sondenpartikeln mit evaneszenter Lichtstreuung

• Applicant: Dr. Laurent Helden
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2005 to 2009
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5438385

• Final Report Year: 2009

Final Report Abstract

Mit der Methode der „Total Internal Reflection Microscopy" (TIRM) gelang es erstmals kritische Casimir Kräfte direkt zu messen. Diese sehr kleinen Kräfte im Bereich von einigen pico- bis femto- Newton (10 -12 ... 10 -15N) treten immer dann auf, wenn Fluktuationen durch Berandungen eingeschränkt werden. In den Experimenten wurden kritische Fluktuationen in einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten nahe des kritischen Punktes ausgenutzt. Die hier auftretenden Konzentrationsfluktuationen sind auch für das Phänomen der kritischen Opaleszenz verantwortlich. In quantitativer Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen konnten attraktive und repulsive kritische Casimir Kräfte beobachtet werden. Dabei ist das Vorzeichen der Kraft jeweils von den Oberflächeneigenschaften der Berandung abhängig. Wird von beiden Seiten die gleiche Komponente bevorzugt, sind die Kräfte attraktiv, werden unterschiedliche Komponenten bevorzugt, sind sie repulsiv. Die repulsiven Kräfte könnten angewendet werden, um störende attraktive Kräfte in nanomechanisehen Systemen zu kompensieren. Interessanterweise haben die attraktiven Kräfte, die zum „steckenbleiben" der Nano-Maschinen (stiction) führen, gerade ihren Ursprung in der quantenelektrodynamischen Casimir Kraft, sind also auch fluktuationsinduzierte Kräfte.

Publications

• "Analysis of Evanescent Waves Scattering by a Single Particle in Total Internal Reflection Microscopy". Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2006) proceedings , 447-449, (2006), March 26-29, Cambridge, USA
  E. Eremina, T. Wriedt, and L. Helden
  
• "Evanescent Wave Scattering Modeling for Total Internal Reflection Microscopy", proceedings of 9th Electromagnetic and Light Scattering Conference, 35-38, (2006) June 5-9 , St. Petersburg, Russia
  E. Eremina, N. Riefler, T. Wriedt, and L. Helden
  
• "Single-particle evanescent light scattering simulations for total internal reflection microscopy". Applied Optics 45 (28), 7299-7308 (2006)
  L. Helden, E. Eremina, N. Riefler, C. Hertlein, C. Bechinger, Y. Eremin, and T. Wriedt
  
• "Total internal reflection microscopy with a multilayercd interface: a light scattering model based on a discrete sources method," J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 8, 999-1006 (2006)
  E. Eremina, N. Grishina, Y. Eremin, L. Helden, and T. Wriedt
  
• "Comparison of T-matrix method with discrete sources method applied for total internal reflection microscopy", J. Quant. Spectr. & Rad. Transfer 106, 464-474 (2007)
  N. Riefler, E. Eremina, C. Hertlein, L. Helden, Y. Eremin, T. Wriedt, and C. Bechinger
  
• "Direct measurement of critical Casimir forces", Nature 451 (7175), 172-175 (2008)
  C. Hertlein, L. Helden, A. Gambassi, S. Dietrich, and C. Bechinger
  
• "Experimental verification of an exact evanescent light scattering model for TIRM," Langmuir 24 , 1-4 (2008)
  C. Hertlein, N. Riefler, E. Eremina, T. Wriedt, Y. Eremin, L. Helden, and C. Bechinger