逆轉卡西米爾效應

2021-01-17 原理

試想一下，如果把一對不帶電的金屬板平行且近距離地放置在真空中，會發生什麼？

○ 在真空中的兩塊理想的、不帶電的金屬板。


我們很可能認為，應該什麼都不會發生，畢竟真空之中什麼都沒有。但量子力學卻告訴我們，真空並不空，它充滿了電磁場的量子漲落——虛光子會不斷地出現和消失。


1948年，荷蘭理論物理學家卡西米爾（Hendrick Casimir）預言，當這樣的兩塊金屬板相距很近時，會相互吸引。這是因為它們之間充滿了包含能量的電磁波，當它們相互靠近時，真空中的一些波會逐漸被擠壓出去，使得周圍空間的能量高於金屬板之間的能量，推動它們繼續靠近，從而表現得像是存在一種吸引力。這個效應被稱為卡西米爾效應。

○ 卡西米爾力是量子場論中最著名的宏觀體現之一，自發現以來，就吸引著許多人的興趣。詳見：《「真空」是真的「空」嗎？》


半個世紀後的1996年，在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室，拉摩洛克斯（Steve Lamoreaux）首次對卡西米爾力進行了實驗測量。


那麼，有沒有可能也存在著一種具有排斥效應的卡西米爾力？科學家對此充滿了好奇與熱情，因為這種力可以具有一些特定的應用，比如它能讓納米物體保持分離。然而，著名的不可行定理（no-go theorem）卻告訴我們：「具有反射對稱的兩個物體之間的卡西米爾力總是吸引的。」也就是說，如果這兩塊金屬板的材料相同，並且互為鏡像，那麼就不可能產生排斥性的卡西米爾力。


直到最近，斯德哥爾摩大學的蔣慶東和諾貝爾物理學獎得主維爾切克（Frank Wilczek）發現，只要在兩塊金屬板之間插入一個「手性」材料，那麼卡西米爾力就可以被逆轉而表現出排斥性，並可以調節或增強。


蔣慶東和維爾切克發現，不可行定理假設的是左旋圓偏振光子和右旋圓偏振光子有著同樣的行為方式。因此他們認為，只要在兩塊板之間插入一種手性材料來打破這種對稱性，就可以繞過這個定理。這種手性材料會導致這兩種光子具有不同的速度，從而每一個光子都會向金屬板傳遞不同量的動量。


○ 手性卡西米爾效應示意圖。圖中A和B為兩塊平行、不帶電荷的金屬板，C是手性材料，箭頭指的是手性光子的傳播方向，k代表手性光子的速度，小標R(右)/L(左)代表它們的手性。


他們對兩種不同類型的手性材料計算了在不同溫度下，兩個金屬板之間的卡西米爾力的大小。結果發現，卡西米爾力的大小可以通過改變金屬板之間的距離或者改變外加磁場的強度而進行調節。對於同樣的裝置，在這種調節下所能產生的斥力強度，是在真空中所能產生的吸引力的三倍多。


蔣慶東和維爾切克在論文中總結道：「讓相似的物體之間產生排斥性的卡西米爾力的關鍵是在它們之間插入一種手性材料介質。這種手性卡西米爾力具有幾個獨特的特徵：它可以是振蕩的，它的強度可以很大（相對於經典的卡西米爾力），並且它可以隨著外磁場的變化而變化。」


他們希望，這些結果將為那些對半導體和納米器件感興趣的物理學家和工程師提供一種新的方法，讓他們能夠在量子水平上探索不同材料的行為和性質。


「通過卡西米爾力與可獨立測量的物質性質之間的聯繫，我們獲得了大量的預測現象，這些現象直接反映了量子漲落的宏觀效應。」


參考來源：

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.99.125403

https://campus.asu.edu/content/force-us-always-tuning-quantum-vacuum-forces-attractive-repulsive-0

https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevB.99.125403


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