使用原子力显微镜对纳米间距Casimir效应的研究

Casimir效应是一种起源于真空量子涨落的宏观量子效应，它是量子场论的一个非常重要的预言，也是真空零点能存在的一个可观察物理效应，因此在量子理论中具有重大意义。目前对Casimir效应的研究主要集中在对实际材料Casimir效应的理论计算及实验检验。基于Lifshitz理论的各种计算方法的分歧主要在于采用何种介电常数模型来描述实际材料对电磁场的响应。在实验方面，目前使用的样品表面制备手段限制了进一步在更小的间距下对Casimir力进行精密测量。本项目拟采用表面科学领域的样品表面制备手段，在一个超高真空多腔室系统中，制备平整且表面化学成分和物理性质确定的表面，通过调频原子力显微镜（FM-AFM）的测量方法，在小到30 nm的间距范围内对相同金属及不同金属间的Casimir力进行精密测量，进而在此作用程下对现有理论进行检验。在30nm间距处测量的相对精度预期达到0.3%。

Casimir效应是一种起源于真空量子涨落的宏观量子效应，它是量子场论的一个非常重要的预言，也是真空零点能存在的一个可观察物理效应，因此在量子理论中具有重大意义。目前对Casimir效应的实验检验仍然存在分歧：一些实验小组的结果支持基于Plasma模型的Lifshitz理论，而另一些实验结果支持基于Drude模型的Lifshitz理论。本项目使用调频原子显微镜，测量了金球和镀金平面间的Casimir力随间距的变化，测量最小间距达到约20nm，在最近间距的测量精度达到1.7%。通过比较在样品表面的不同区域的测量结果以及在同一地点不同时间的重复测量结果，我们发现目前被广泛采用的静电力标定方法可能导致较大的系统误差，从而导致Casimir力测量存在很大不确定。