近日，我校合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授、张汇副研究员研究团队在磁场调控卡斯米尔力研究方面取得重要进展。该团队以磁流体为中间介质，成功实现了磁场调控下卡斯米尔（Casimir）吸引力到排斥力的可逆转变。相关研究成果以“Magnetic-field tuning of the Casimir force”为题于5月24日以Article形式在线发表在《Nature Physics》上（DOI: 10.1038/s41567-024-02521-0）。
卡斯米尔效应是荷兰物理学家亨德里克·卡斯米尔于1948年预言的一种现象，即在真空中两片电中性金属板在亚微米尺度上会因量子涨落而通常出现吸引力。除了量子力学基础研究的价值，卡斯米尔效应还受到工业界的关注，因为卡斯米尔力对微机电系统器件影响很大。人们希望实现对卡斯米尔力的调控，特别是实现卡斯米尔力从吸引力到排斥力的外场调控。根据Lifshitz理论，卡斯米尔力受材料介电函数和磁导率影响，而之前的研究主要关注材料的介电函数设计，而大多数材料的介电函数对外场不敏感，使得外场调节卡斯米尔力一直是一个巨大挑战。
研究团队把目光转向材料的磁导率调控。他们发现磁流体的磁导率可以被磁场所显著调节。经研究团队的巧妙设计，选择以磁流体作为中间介质来研究金球和二氧化硅衬底之间的卡斯米尔效应。通过计算与实验相结合，他们发现可以在很大的参数空间（磁场大小、金球与衬底距离、磁流体体积分数）范围调节卡斯米尔力，特别是实现了磁场调控的卡斯米尔吸引力到排斥力的可逆转变。在这一工作中，研究团队克服了种种困难，开发了一种适用于非透明液体中卡斯米尔力测量的特殊悬臂梁装置。本发现将推动量子涨落效应调控的深入研究和可能应用，为未来发展基于可调控卡斯米尔效应的微机电系统器件提供了新思路。
图1：（a）磁场调控卡斯米尔效应示意图；（b）测量装置示意图；（c）不同磁场下卡斯米尔力随金球-衬底距离的变化。
本工作主要由曾长淦教授领导的“蓝色原子极客中心”本科生科研团队完成，2018级少年班学院本科生张一弛为论文第一作者，曾长淦教授、张汇副研究员为论文共同通讯作者。“蓝色原子极客中心”科研团队在校团委的支持下于2017年成立，成员全部是中科大在校本科生，成立以来一直致力于卡斯米尔效应研究。该团队的另一项研究成果“扫描卡斯米尔力显微镜”于2023年获第十届“挑战杯”安徽省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖，全国赛区三等奖，并申请了多项国家发明专利。本工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、科技创新2030重大项目、科学院青年团队项目、安徽省重大基础研究项目等项目的资助，也得到了校团委“极客中心”、教务处“大学生创新创业计划”、以及微纳研究与制造中心的支持。
图2：“蓝色原子极客中心”本科生科研团队部分成员在“挑战杯”竞赛颁奖现场。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02521-0
（合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、少年班学院、科研部）