Так называемая сила Казимира или эффект Казимира — это квантовомеханическое явление, возникающее в результате флуктуаций электромагнитного поля между двумя проводящими или диэлектрическими поверхностями, находящимися на небольшом расстоянии друг от друга. Исследования показали, что эта сила может быть как притягивающей, так и отталкивающей, в зависимости от диэлектрических и магнитных свойств материалов, используемых в экспериментах.

Исследователи из Университета науки и технологий Китая недавно изучали возможность избирательной настройки силы Казимира, другими словами, переключения ее с притяжения на отталкивание и наоборот, с помощью внешних магнитных полей. Их исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, демонстрирует успешную настройку магнитного поля силы Казимира, возникающей из золотой сферы и пластины кремнезема, погруженных в феррожидкости на водной основе.

«Моя область исследований — физика конденсированного состояния, но я также сильно интересуюсь фундаментальной физикой, такой как квантовые флуктуации и их вызванные эффекты», — рассказал Phys.org Чангган Цзэн, автор статьи.

«За последние два десятилетия я внимательно следил за развитием событий в области сил Казимира, и особенно меня впечатлила статья Мандея и др. в журнале Nature. Силы Казимира обычно притягивают, что создает проблемы для приложений, например, в микроэлектромеханические системы (МЭМС) В своей статье авторы разработали элегантный эксперимент по достижению сил отталкивания Казимира путем тщательного выбора диэлектрической проницаемости задействованных материалов».

Вдохновленный предыдущей статьей, опубликованной в 2009 году, Цзэн приступил к дальнейшим исследованиям, направленным на обратимое управление силами Казимира путем применения магнитных полей. Он надеялся разработать надежный подход к модуляции эффекта Казимира, который мог бы открыть новые возможности как для исследований, так и для развития технологий.

«Изначально мы рассматривали возможность управления силой Казимира путем приложения электрического поля , вдохновленного концепцией устройств на полевых транзисторах», — объяснил Цзэн. «Хотя хорошо известно, что сила Казимира зависит от диэлектрической проницаемости используемых материалов, эти диэлектрические проницаемости, как правило, не чувствительны к внешним полям. С другой стороны, согласно теории Лифшица, сила Казимира также зависит от магнитных проницаемостей материалов. материалы.»

Магнитную проницаемость многих магнитных материалов, особенно феррожидкостей, можно модулировать путем приложения внешних магнитных полей. Поэтому Цзэн и его ученики решили использовать феррожидкости на водной основе, чтобы обеспечить настройку силы Казимира между золотой сферой и пластиной кремнезема.

«Я предложил этот проект своим аспирантам, но никто не захотел за него взяться», — сказал Цзэн. «В конце концов, мне удалось убедить некоторых талантливых студентов взяться за этот проект, и нам это удалось».

Цзэн и его ученики сначала выполнили серию теоретических расчетов. Эти расчеты показали, что силу Казимира можно переключить с притяжения на отталкивание, просто модулируя внешнее магнитное поле, расстояние между двумя образцами материала и объем использованных феррожидкостей.

Затем исследователи провели эксперимент, призванный проверить свои предсказания. Используя кантилевер, который мог собирать данные внутри феррожидкостей, они наблюдали, как внесенные ими изменения повлияли на эффект Казимира.

Результаты этого недавнего исследования вскоре могут проложить путь к дальнейшим усилиям по эффективной настройке эффекта Казимира с помощью внешних полей. В совокупности эти работы могут позволить разработать новые переключаемые микромеханические устройства, использующие силы Казимира.

«Мы добились обратимой настройки силы Казимира от притяжения к отталкиванию с помощью магнитного поля, открыв путь для разработки переключаемых микромеханических устройств на основе настраиваемого эффекта Казимира», — добавил Цзэн. «В наших следующих исследованиях мы планируем управлять силой Казимира с помощью света. Например, плазмоны в металлических пластинах могут возбуждаться светом, что должно эффективно изменить силу Казимира».