纳米间距Casimir效应的研究

纳米间距Casimir效应的研究
1948年,H.B.G.Casimir预言了真空中两个不带电导体间存在相互作用力,该效应后被称为Casimir效应。

Casimir效应是一种宏观量子效应,其在量子场论、引力与宇宙学、原子分子物理、凝聚态物理和微纳机械系统方面都起着重要的作用。

当Lamoreaux第一次在实验上精确地测量出Casimir力的存在后,科学家们开始在亚微米间距下对不同材料、不同形状、不同温度下的Casimir效应进行实验检验,并取得了众多进展。

随着微型机械器件的尺寸与相关间距缩小到纳米量级,Casimir效应占主导作用并影响到器件的性能,因此,进行纳米间距Casimir 效应研究十分必要。

此外,纳米间距的Casimir效应研究结果还可应用于对纳米间距非牛顿引力的检验。

本论文使用调频原子力显微镜(Frequency Modulation Atomic Force Microscope,简称FM-AFM),在液氮温度下检测金球与镀金平面之间Casimir力的梯度。

为了进行100nm以下间距的测量,我们选择了弹性系数较大的q Plus探针作为力传感器。

由于Casimir力是两导体表面间的相互作用,因此Casimir力的精确测量对样品表面的平整度及表面清洁度提出了很高的要求。

基于以上原因,我们在高真空环境中,在单晶硅片上用热蒸发的方法镀上金膜作为吸引质量表面。

蒸镀后的硅片直接从制备室(PREP腔)传入测量室(SPM腔)避免暴露在空气中被污染。

本论文初步实验结果显示:在最小间距(20nm),实验相对精度大约为
4.5%(95%置信水平)。

根据我们最好的实验结果,在25nm~64nm间距范围,实验值
与Drude模型计算值相对偏差小于10%,而与Plasma模型的相对偏差在8.6%~61.2%,该偏差可能来源于实验中存在未被评估的其他误差。

本论文工作将为下一步设计一个高精度的实验检验提供了基础。