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  • 科学家用卡西米尔力,实现以非接触式方式:操纵和控制宏观物体

    科学家用卡西米尔力,实现非接触式的方式:操纵和控制宏观物体!来自西澳大利亚大学和加州大学默塞德分校的科学家合作,研究出一种测量微小力并利用它们控制物体的新方法。其研究发表在《自然物理》期刊上,由西澳大学物理、数学与计算学院的Michael Tobar教授、澳大利亚研究理事会卓越工程量子系统中心首席研究员Michael Tobar教授和默塞德大学的Jacob Pate博士共同领导。

    科学家用卡西米尔力,实现以非接触式方式:操纵和控制宏观物体

    其研究成果是一种以非接触式方式操纵和控制宏观物体的新方法,能在不增加机械损失的情况下增强灵敏度。这种被称为卡西米尔效应卡西米尔力(Casimir Force)的微小力曾经被认为只对学术感兴趣,现在却吸引了计量学(测量科学)和传感等领域的兴趣。如果能测量和操纵物体上的卡西米尔力,那么就有能力提高力的敏感度,减少机械损失,这有可能对科学技术产生重大影响。

    科学家用卡西米尔力,实现以非接触式方式:操纵和控制宏观物体

    要理解这一点,需要深入研究量子物理的怪异之处。在现实中,完美的真空并不存在,因为虚拟粒子,比如光子,也会时而闪烁,时而不复存在。这些波动与放置在真空中的物体相互作用,实际上随着温度的升高而增强,从“零”产生一个可测量的力,也就是众所周知的卡西米尔力。这很方便,因为我们生活在室温下,研究现在已经证明,也可以使用这种力来做很酷的事情。

    科学家用卡西米尔力,实现以非接触式方式:操纵和控制宏观物体

    但要做到这一点,需要开发精密技术,让我们能够用这种力来控制和操纵物体。研究人员能够测量卡西米尔力,并在室温下通过一个被称为折返腔的精密微波光子腔来操纵这些物体,该装置使用一层与折入腔分开的薄金属膜,精确地控制到大约一粒尘埃的宽度由于物体之间的卡西米尔力,来回弯曲的金属薄膜弹簧式振动得到了显著的改善,并被用来以一种独特的方式操纵薄膜和再入腔系统的特性。

    科学家用卡西米尔力,实现以非接触式方式:操纵和控制宏观物体

    这使得力敏感度和控制膜机械状态的能力提高几个数量级。1948年,卡西米尔力被预测为宏观物体之间从零点能产生的力。在有限的温度下,已经证明热卡西米尔力的存在,是由于热能而不是零点能量,并且有越来越多的实验表征了在一定温度和距离范围内的影响。此外,在快速发展的腔光力学领域,科学家正在努力操纵声子和增强相干性。本研究展示了一种通过将金属SiN膜耦合到光子折射腔实现:

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    卡西米尔力弹簧和宏观光学力学中的工程稀释方法,空间定域卡西米尔力弹簧的吸引力模拟了非接触边界条件,通过耗散稀释引起应变和声相干性的增加。这提供了一种通过热光子操纵声子的方法,导致“就地”可重新配置的机械状态,减少损耗机制,并创造更多类型的声学非线性,而且所有这些都是在室温下进行。

    博科园|研究/来自:西澳大利亚大学

    参考期刊《自然物理》

    DOI: 10.1038/s41567-020-0975-9

    博科园|科学、科技、科研、科普

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