中國科大在卡斯米爾效應(yīng)的磁場調(diào)控研究中取得重要進展

2024/6/2 18:17:28

近日，我校合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計中心和物理系中國科學(xué)院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授、張匯副研究員研究團隊在磁場調(diào)控卡斯米爾力研究方面取得重要進展。該團隊以磁流體為中間介質(zhì)，成功實現(xiàn)了磁場調(diào)控下卡斯米爾（Casimir）吸引力到排斥力的可逆轉(zhuǎn)變。相關(guān)研究成果以“Magnetic-field tuning of the Casimir force”為題于5月24日以Article形式在線發(fā)表在《Nature Physics》上（DOI: 10.1038/s41567-024-02521-0）。

卡斯米爾效應(yīng)是荷蘭物理學(xué)家亨德里克·卡斯米爾于1948年預(yù)言的一種現(xiàn)象，即在真空中兩片電中性金屬板在亞微米尺度上會因量子漲落而通常出現(xiàn)吸引力。除了量子力學(xué)基礎(chǔ)研究的價值，卡斯米爾效應(yīng)還受到工業(yè)界的關(guān)注，因為卡斯米爾力對微機電系統(tǒng)器件影響很大。人們希望實現(xiàn)對卡斯米爾力的調(diào)控，特別是實現(xiàn)卡斯米爾力從吸引力到排斥力的外場調(diào)控。根據(jù)Lifshitz理論，卡斯米爾力受材料介電函數(shù)和磁導(dǎo)率影響，而之前的研究主要關(guān)注材料的介電函數(shù)設(shè)計，而大多數(shù)材料的介電函數(shù)對外場不敏感，使得外場調(diào)節(jié)卡斯米爾力一直是一個巨大挑戰(zhàn)。

研究團隊把目光轉(zhuǎn)向材料的磁導(dǎo)率調(diào)控。他們發(fā)現(xiàn)磁流體的磁導(dǎo)率可以被磁場所顯著調(diào)節(jié)。經(jīng)研究團隊的巧妙設(shè)計，選擇以磁流體作為中間介質(zhì)來研究金球和二氧化硅襯底之間的卡斯米爾效應(yīng)。通過計算與實驗相結(jié)合，他們發(fā)現(xiàn)可以在很大的參數(shù)空間（磁場大小、金球與襯底距離、磁流體體積分?jǐn)?shù)）范圍調(diào)節(jié)卡斯米爾力，特別是實現(xiàn)了磁場調(diào)控的卡斯米爾吸引力到排斥力的可逆轉(zhuǎn)變。在這一工作中，研究團隊克服了種種困難，開發(fā)了一種適用于非透明液體中卡斯米爾力測量的特殊懸臂梁裝置。本發(fā)現(xiàn)將推動量子漲落效應(yīng)調(diào)控的深入研究和可能應(yīng)用，為未來發(fā)展基于可調(diào)控卡斯米爾效應(yīng)的微機電系統(tǒng)器件提供了新思路。

圖1：（a）磁場調(diào)控卡斯米爾效應(yīng)示意圖；（b）測量裝置示意圖；（c）不同磁場下卡斯米爾力隨金球-襯底距離的變化。

本工作主要由曾長淦教授領(lǐng)導(dǎo)的“藍(lán)色原子極客中心”本科生科研團隊完成，2018級少年班學(xué)院本科生張一弛為論文第一作者，曾長淦教授、張匯副研究員為論文共同通訊作者。“藍(lán)色原子極客中心”科研團隊在校團委的支持下于2017年成立，成員全部是中科大在校本科生，成立以來一直致力于卡斯米爾效應(yīng)研究。該團隊的另一項研究成果“掃描卡斯米爾力顯微鏡”于2023年獲第十屆“挑戰(zhàn)杯”安徽省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎，全國賽區(qū)三等獎，并申請了多項國家發(fā)明專利。本工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金重點項目、科技創(chuàng)新2030重大項目、科學(xué)院青年團隊項目、安徽省重大基礎(chǔ)研究項目等項目的資助，也得到了校團委“極客中心”、教務(wù)處“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃”、以及微納研究與制造中心的支持。