科學家用卡西米爾力，實現以非接觸式方式：操縱和控制宏觀物體

2020-08-04 博科園

科學家用卡西米爾力，實現非接觸式的方式：操縱和控制宏觀物體！來自西澳大利亞大學和加州大學默塞德分校的科學家合作，研究出一種測量微小力並利用它們控制物體的新方法。其研究發表在《自然物理》期刊上，由西澳大學物理、數學與計算學院的Michael Tobar教授、澳大利亞研究理事會卓越工程量子系統中心首席研究員Michael Tobar教授和默塞德大學的Jacob Pate博士共同領導。

科學家用卡西米爾力，實現以非接觸式方式：操縱和控制宏觀物體

其研究成果是一種以非接觸式方式操縱和控制宏觀物體的新方法，能在不增加機械損失的情況下增強靈敏度。這種被稱為卡西米爾效應卡西米爾力(Casimir Force)的微小力曾經被認為只對學術感興趣，現在卻吸引了計量學(測量科學)和傳感等領域的興趣。如果能測量和操縱物體上的卡西米爾力，那麼就有能力提高力的敏感度，減少機械損失，這有可能對科學技術產生重大影響。

科學家用卡西米爾力，實現以非接觸式方式：操縱和控制宏觀物體

要理解這一點，需要深入研究量子物理的怪異之處。在現實中，完美的真空並不存在，因為虛擬粒子，比如光子，也會時而閃爍，時而不復存在。這些波動與放置在真空中的物體相互作用，實際上隨著溫度的升高而增強，從「零」產生一個可測量的力，也就是眾所周知的卡西米爾力。這很方便，因為我們生活在室溫下，研究現在已經證明，也可以使用這種力來做很酷的事情。

科學家用卡西米爾力，實現以非接觸式方式：操縱和控制宏觀物體

但要做到這一點，需要開發精密技術，讓我們能夠用這種力來控制和操縱物體。研究人員能夠測量卡西米爾力，並在室溫下通過一個被稱為折返腔的精密微波光子腔來操縱這些物體，該裝置使用一層與折入腔分開的薄金屬膜，精確地控制到大約一粒塵埃的寬度由於物體之間的卡西米爾力，來回彎曲的金屬薄膜彈簧式振動得到了顯著的改善，並被用來以一種獨特的方式操縱薄膜和再入腔系統的特性。

科學家用卡西米爾力，實現以非接觸式方式：操縱和控制宏觀物體

這使得力敏感度和控制膜機械狀態的能力提高几個數量級。1948年，卡西米爾力被預測為宏觀物體之間從零點能產生的力。在有限的溫度下，已經證明熱卡西米爾力的存在，是由於熱能而不是零點能量，並且有越來越多的實驗表徵了在一定溫度和距離範圍內的影響。此外，在快速發展的腔光力學領域，科學家正在努力操縱聲子和增強相干性。本研究展示了一種通過將金屬SiN膜耦合到光子折射腔實現：

科學家用卡西米爾力，實現以非接觸式方式：操縱和控制宏觀物體

卡西米爾力彈簧和宏觀光學力學中的工程稀釋方法，空間定域卡西米爾力彈簧的吸引力模擬了非接觸邊界條件，通過耗散稀釋引起應變和聲相干性的增加。這提供了一種通過熱光子操縱聲子的方法，導致「就地」可重新配置的機械狀態，減少損耗機制，並創造更多類型的聲學非線性，而且所有這些都是在室溫下進行。

博科園｜研究/來自：西澳大利亞大學

參考期刊《自然物理》

DOI: 10.1038/s41567-020-0975-9

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