量子涨落引起的卡西米尔力的磁场调谐。图片来源：Zhang et al.

所谓的卡西米尔力或卡西米尔效应是一种量子力学现象，由相距较短的两个导电或介电表面之间的电磁场波动引起。研究表明，这种力可以是有吸引力的，也可以是排斥的，这取决于实验中使用的材料的介电和磁性。

中国科学技术大学的研究人员最近一直在探索利用外部磁场选择性地调整卡西米尔力的可能性，换句话说，将其从吸引力转换为排斥力，反之亦然。他们的研究发表在《自然物理学》上，证明了浸入水基铁磁流体中的金球和硅板产生的卡西米尔力的成功磁场调谐。

“我的研究领域是凝聚态物理学，但我对基础物理学也有浓厚的兴趣，比如量子涨落及其诱导效应，”该论文的通讯作者曾长安告诉 Phys.org。

“在过去的二十年里，我一直密切关注卡西米尔部队领域的发展，Munday等人在《自然》杂志上发表的一篇论文给我留下了特别深刻的印象。卡西米尔力通常很有吸引力，这给微机电系统（MEMS）等应用带来了挑战。在他们的论文中，作者设计了一个优雅的实验，通过仔细选择相关材料的介电常数来实现排斥卡西米尔力。

受到2009年发表的这篇论文的启发，Zeng开始进行进一步的研究，旨在通过施加磁场来可逆地控制卡西米尔力。他希望设计出一种可靠的方法来调节卡西米尔效应，从而为研究和技术开发开辟新的途径。

“最初，我们考虑通过施加电场来控制卡西米尔力，灵感来自FET器件的概念，”Zeng解释说。“虽然众所周知，卡西米尔力取决于所涉及材料的介电常数，但这些介电常数通常对外部场不敏感。另一方面，根据Lifshitz理论，卡西米尔力也取决于材料的磁导率。

许多磁性材料，特别是铁磁流体的磁导率，可以通过施加外部磁场来调制。因此，Zeng和他的学生决定使用水基铁磁流体来调整金球和二氧化硅板之间的卡西米尔力。

“我向我的研究生提出了这个项目，但没有一个人愿意接受，”曾说。“最终，我设法说服了一些有才华的本科生承担这个项目，我们成功了。”

曾和他的学生首先进行了一系列的理论计算。这些计算表明，卡西米尔力可以通过调节外部磁场、两个材料样品之间的距离以及它们使用的铁磁流体体积来从吸引力转换为排斥力。

然后，研究人员进行了一项旨在测试其预测的实验。他们使用可以收集铁磁流体内部测量值的悬臂，观察他们实施的变化如何影响卡西米尔效应。

这项最新研究的结果可能很快为进一步利用外部场有效调整卡西米尔效应铺平道路。总的来说，这些工作可以开发利用卡西米尔力的新型可切换微机械设备。

“我们利用磁场实现了卡西米尔力从吸引力到排斥力的可逆调整，为开发基于可调卡西米尔效应的可切换微机械设备铺平了道路，”Zeng补充道。“在我们接下来的研究中，我们计划用光来控制卡西米尔力。例如，金属板中的等离子体可以被光激发，这应该有效地改变卡西米尔力。

更多信息：Yichi Zhang 等人，卡西米尔力的磁场调谐，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02521-0

期刊信息： Nature ， Nature Physics