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量子光学

量子光学

卡西米尔 effect goes negative

08 Jan 2009
排斥力

自1950年代以来,物理学家就已经能够证明真空中的量子波动会引起两个表面相互吸引,这一现象被称为卡西米尔效应。现在美国的研究人员已经证明了相反的情况 —在某些条件下,表面也可以互相排斥。考虑到卡西米尔效应对数十到数百纳米间距的重要性,结果可能导致摩擦力极低的新型纳米技术装置。

真空力最早是由荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔(Hendrik 卡西米尔)于1948年预测的。卡西米尔(Casimir)考虑了将两个不带电的,导电性良好的金属板在真空中彼此相对放置时会发生什么。根据量子力学,真空中的电磁场能量不为零,而是围绕某个平均值(在绝对为零的温度下等于半个光子)连续波动。共振是指在以特定距离隔开的两个平板之间仅存在某些波长。卡西米尔得出的结论是,板外磁场的辐射压力趋向于略大于板之间的辐射压力,因此板之间会相互吸引。

卡西米尔’Evgeny Lifshitz在1956年对真实材料的预测进行了概括,他的工作得到了进一步推广,以表明真空实际上可以被一种材料代替。此外,已经表明,如果板及其之间的材料(通常是液体)具有特定的介电常数,则板之间的力将为负。

It’介电常数

介电常数反映了材料中的原子和分子被极化的容易程度。波动的电磁场将感应波动的电偶极子,其强度与该极化率成正比,因此两种材料之间的力将与其介电常数的乘积成正比。通过使液体的介电常数低于一个板(第一板)的介电常数但高于另一个板的介电常数,则液体的电容率将被吸引到第一板,而两个板将彼此吸引。这将使其进入两个板之间,因此实际上使它们彼此排斥。

现在,哈佛大学’s 费德里科·卡帕索(Federico Capasso) 马里兰州贝塞斯达市国立卫生研究院的杰里米·蒙迪(Jeremy Munday)(现就职于加州理工学院)和阿德里安·帕塞格安(Adrian Parsegian)已证明,这种方法使用了金和二氧化硅,并由液态溴苯分离。将该液体置于二氧化硅板和40之间的池中。 µ直径200毫米的聚苯乙烯球 纳米厚的金膜,并从原子力显微镜的悬臂悬垂下来(原则上,球面的精度不如第二块板,但实际上,由于两块板很难精确对准,它的作用更大)。通过从悬臂反射激光束,由球体和平板之间的相互作用引起的悬臂任何弯曲都会导致反射的激光信号发生变化(性质 457 170)。

在建立实验时,卡帕索和他的同事们必须将潜在的有害静电效应(例如,电荷积聚在二氧化硅板上)最小化。他们还必须找到一种校准实验的方法。换句话说,找到一个已知的力,他们可以将其反射的激光信号转换为力测量值。为此,他们使用了在液体中产生的流体动力,该流体动力与球体和平板分开的速度成正比。“可以在卡西米尔力较小的情况下以较大的速度和较大的距离执行校准,” says Capasso. “然后可以降低速度,并使球体更靠近平板以仅测量卡西米尔力。”

黄金和二氧化硅排斥

The researchers carried out measurements of the 卡西米尔 force using separations from 20 纳米可达数百纳米。他们发现,由于将金球和二氧化硅结合在一起,它们显然彼此排斥。相比之下,他们在金球和代替二氧化硅的金板之间发现了明显的吸引力。

耶鲁大学的史蒂夫·拉莫罗克斯(Steve Lamoreaux)在《新闻与观点》的一篇文章中写道,通过将两种或多种液体混合在一起,有可能调节卡西米尔力,从而使卡西米尔力在较大的分离范围内具有吸引力,而在较短的距离上具有排斥性。“这将提供一种用于在流体中以另一个物体上方的固定距离对物体进行量子悬浮的手段,因此可能导致超低摩擦装置的设计,”他说。 Lamoreaux还认为这项工作可能会对基础物理学产生影响,并指出类似卡西米尔的力预计是由二元液相转变中的密度波动引起的。

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