前沿| 微纳米物体的卡西米尔(Casimir) “陷阱”及“去陷阱”研究进展- 大数跨境

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前沿| 微纳米物体的卡西米尔(Casimir) “陷阱”及“去陷阱”研究进展

两江科技评论

2020-04-08

导读：信阳师范学院的葛力新博士（副教授）及其研究团队提出了一种基于相变材料的卡西米尔(Casimir)量子陷阱。

图1：论文出版信息

1.概述

微纳米物体在液体中会做无规则的自由运动。通常密度大的物体最终可能沉入底部，而密度小的则可能浮在表面。那么问题来了，人们是否可以通过外在手段对液体中微纳米物体精确操控和影响呢？近日，信阳师范学院的葛力新博士（副教授）及其研究团队提出了一种基于相变材料的卡西米尔(Casimir)量子陷阱。该类陷阱可以对微纳米物体进行稳定的囚禁，即：物体只能悬浮在特定的高度。当相变材料受外部刺激（如：电场、脉冲激光、温度改变等）而发生相变时，这种稳定囚禁还可以被释放，微纳米物体将重新获得自由。该研究成果发表在近期的 Phys. Rev. B中，标题：Tunable Casimir equilibria with phasechange materials: From quantum trapping to its release

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.101.104107

2.研究背景

1948年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔（Hendrik Casimir）提出了一种有趣的现象【1】，即：真空中两片中性（不带电）的金属平板会相互吸引（经典理论无法解释）。卡西米尔效应是一种宏观的量子现象，来源于量子场论的“真空不空”的事实——在没有物质存在的真空中仍有能量涨落 (也称零点能电磁涨落)。卡西米尔效应只有当两物体的距离在微纳米范围时（通常小于5微米）才可以被实验探测到【2】。当两金属平板距离很近时，如：10纳米，理论上卡西米尔效应能产生大约1个大气压（10的5次方帕斯卡）的强大相互吸引力。

卡西米尔效应是一种非常普遍的现象。除了以上提到的金属材料，绝大多数其他材料之间也可以产生相互吸引的卡西米尔力。此外，当真空被液体取代时（即：溶液环境中），这种基于零点电磁涨落的现象仍然存在。理论上，真空中两物体的卡西米尔效应通常是相互吸引的力。而当两个物体处在溶液中时，排斥力是可能出现的。实验和理论证明，当两物体和溶液的介电常数满足一定条件时，能产生相互排斥的卡西米尔力【3】。

图2. 溶液环境中，不同的衬底和金属小球的卡西米尔力 (吸引或者排斥)。二氧化硅的衬底可以使金属小球悬浮于在溶液中（左边、相互排斥力），而金属衬底却和金属小球相互粘合（右边、相互吸引力）。选自参考文献【3】，其工作被选为该期的Nature封面。

近年来，随着微纳米技术的不断进步，很多功能力学器件也越来越小，微纳米机器是未来一个很有潜力的发展方向，如：纳米级别的马达等。在微纳米力学器件中，卡西米尔效应不容忽视。例如：卡西米尔吸引力会使微纳米物体（元件）粘合在一起，导致微纳米力学器件不能很好工作。能否获得相互排斥的卡西米尔力，或者构建稳定的卡西米尔“陷阱”呢？如果可以，微纳米物体可以被稳定悬浮起来（对比超导磁悬浮的现象），从而作为不接触、低摩擦的微纳米力学元件，并在精密测量、生物化学传感等领域有所应用。

3.研究的灵感来源

图3：金属纳米薄片被稳定囚禁在溶液中，即：若薄片向下运动，则受到排斥的卡西米尔力，若其向上运动，则受到相互吸引的卡西米尔力。注意：此时的衬底为具有Teflon薄膜涂层的金。选自参考文献【4】。

2019年，美国伯克利大学的Zhang Xiang课题组实验上研究了一种基于特氟隆（Teflon, 聚四氟乙烯---一种不粘锅涂层材料）覆盖金属的衬底---实现稳定的卡西米尔囚禁【4】，如图3所示。该研究成果被《Physics World》杂志选为2019年十大物理突破之一。然而，该实验设计存在的一个不足点，即：这种稳定的囚禁难以被改变。能否设计一种可控的囚禁呢？想象一个无形的手，有时我们可以牢牢的囚禁悬浮的物体，而有时我们希望放开它。为了实现以上功能，利用相变材料代替金属Au是一种可行的方案。

二氧化钒是(化学式：VO2)是一种相变材料，常温下为深蓝色的固体。二氧化钒发生相变的临界温度大约在67°C左右。当二氧化钒的温度低于临界温度时（如：40°C），其物理特性表现为绝缘体，导电率非常低。当温度高于临界温度时(如：80°C)，其物理特性则表现为金属体，导电率比绝缘态高几个数量级。由于相变前后特性改变非常明显，二氧化钒已用于表面涂层，智能传感器，存储等诸多领域。

图4：(a)溶液中的金属纳米薄片与多层衬底(Teflon/VO2/Teflon)示意图;(b)不同材料的介电常数(虚频)；(c)金属纳米薄片受到的卡西米尔压强随着其距离衬底d的变化；(d)Teflon纳米薄片受到的卡西米尔压强随着其距离衬底d的变化。压强为正数代表排斥力，压强为负号代表吸引力。压强为零对应于卡西米尔“陷阱”，此时的d即悬浮高度（不考虑重力）。当温度T=320 K时，VO2处于绝缘态，当温度上升到360K时，VO2处于金属态。选自参考文献【5】

4.研究内容

该文通过相应的理论，计算了液体环境下的卡西米尔效应【5】。相应的研究体系如图4所示：一金属纳米薄片悬浮在液体中，衬底是一种多层薄膜结构。通过改变二氧化钒VO2的温度（也可以通过脉冲激光、电流等方式）使VO2在金属态和绝缘态之间转变，从而调控卡西米尔力的大小和性质。

主要的研究发现【5】：

（1）当VO2比较薄 (如：30 nm)且处在金属态时，金属纳米薄片可以被稳定的悬浮（即：囚禁）在特定的高度。若VO2处于绝缘态, 金属纳米薄片则获得自由（没有稳定的悬浮高度、或者悬浮情况所到重力影响严重）。

（2）研究了不同重力条件下（如：失重、装置倒置）、布朗运动等因素对金属纳米薄片的悬浮特性的影响。

（3）研究基于VO2相变，人为控制Teflon纳米薄片的悬浮的现象，见图4（d）。

总结一下，该论文利用相变材料VO2的快速相变, 实现了卡西米尔力的大小和方向（排斥或吸引）的调控，从而影响微纳米物体在溶液中的悬浮特性。这是一篇有趣的基础研究工作，可能在未来的微纳米力学器件，如：智能力学开关、动力马达等研发中提供一个有意义的指导作用。该研究工作得到了国家自然科学基金以及信阳师范学院南湖学者的赞助。

参考文献

【1】H. B. Casimir, Proc. Kon, Ned. Akad.Wet. 51, 793 (1948).

【2】G. L. Klimchitskaya, et al., Rev. Mod. Phys. 81, 1827(2009).

【3】J. N. Munday, F. Capasso, and V. A.Parsegian, Nature 457, 170 (2009).

【4】R. Zhao, et al., Science364, 984 (2019).

【5】L. Ge, X. Shi, Z. Xu, and K. Gong, Phys. Rev. B 101, 104107 (2020).

文献链接：

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.101.104107

文章来源： 热辐射与微纳米光子学