Science:张翔教授团队首次实现Casimir吸引力和排斥力的平衡态- 大数跨境

两江科技评论

2019-06-17

导读：美国加州大学伯克利分校张翔教授研究团队（赵荣阔博士、李林博士、杨隋博士、包玮博士（共同co-first），夏洋、Paul Ashby、汪远博士、张翔教授），最近首次实现了一种可以克服Casimir吸引

导读

Casimir吸引力在微纳系统中会引起很大的问题，比如它会导致微纳颗粒凝聚在一起，还会造成微纳机械系统的粘连，以及产生巨大的摩擦力从而无法正常工作。美国加州大学伯克利分校张翔教授研究团队（赵荣阔博士、李林博士、杨隋博士、包玮博士（共同co-first），夏洋、Paul Ashby、汪远博士、张翔教授），最近首次实现了一种可以克服Casimir吸引力的方法。通过在其中一个物体上涂覆一层低介电常数介质，两个物体在距离很近的时候呈现排斥力；距离变远的时候呈现吸引力，从而把两个物体牢牢地束缚在一起。科学家们相信该新发现在微纳机械系统方面具有广泛的应用。该工作发表于最近一期的Science上（Science, 364, 984-987 (2019)）。

背景

Casimir效应是一种基于量子场论奇特的现象，它是由两个距离微小的电中性表面之间的量子涨落的引起的作用力。它是荷兰物理学家Hendrik Casimir最早在1948年提出的，并由他的名字来命名。基于量子物理理论，真空并不是真正“空”的，真空中永远充斥着涨落的电磁波（光），他们的存在携带着一定的能量，称为“零点能”。以两个平行的金属板为例，当两个平行的金属导体放置于很近的距离时，只有离散的量子涨落可以存在于他们的间隙之间；而在间隙外，量子涨落却是连续的，这使得外界的零点能永远大于间隙中的零点能。内外能量的不平衡导致了两个金属板之间的吸引力，壁虎能够在墙上自由行走既得益于此。

20世纪50年代，有科学家预言，将真空环境换成液体，并将其中一个物体的材料换成比液体折射率还低的材料，会产生Casimir排斥力。科学家相信单纯的排斥力并不比单纯的吸引力更有用处。在最新发表的这项研究中，张翔教授团队首次实现了Casimir吸引力和排斥力的平衡态。他们在金板衬底上面涂覆上一层特氟龙薄膜，在酒精中将纳米金盘禁固在特氟龙附近几十纳米处。

创新研究

该工作利用了特氟龙（不粘锅的涂层）很低的折射率的性质，其折射率甚至低于酒精。根据理论，特氟龙和纳米金盘之间的Casimir力是排斥力。然而金衬底和纳米金盘之间的Casimir力是吸引力。当纳米金盘与涂覆了特氟龙的金板靠得非常近的时候，金盘与特氟龙之间的距离和金盘与金板衬底的距离的差异就非常显著，从而使得特氟龙提供的排斥力占主导地位，要将金盘往远处推离。然而，当金盘被推得远离样品时，金盘与样品的两种材料之间的距离差别就会变得越来越小，超过一定距离后，吸引力就开始占据主导。因此，纳米金盘最后将会停留在吸引力和排斥力完美平衡的位置。这个平衡位置离样品表面的距离随着特氟龙薄膜厚度的增加会增大。