将“卡西米尔效应”应用在机械硬盘中

2019年10月27日 00:40

通过改变两个物体的间隙大小,物理学家已经可以灵活调整卡西米尔力为排斥力吸引力,用来创造一个无需外部能量驱动的最低势能平衡系统,这项技术将运用于纳米机械系统的制造和保障运行。

那么究竟什么是“卡西米尔效应”呢?这得从量子场论开始讲起了。

量子场论

如今的物理界将引力、电磁力等作用都用“”的概念来描述,而在牛顿时代却不是这样。牛顿的引力是超距作用的,他认为引力的变化会瞬间传递给任何距离的物体。如果太阳突然爆炸了,引力的变化就会在爆炸瞬间传递给地球,地球的轨道也将立刻做出改变。

量子场论中的"卡西米尔效应",华裔科学家想用来实现无摩擦轴承

引力波模型

爱因斯坦的狭义相对论则告诉我们,信息的传播速度不可以超过光速,引力或任何其他作用也是如此。他在广义相对论中又对引力场做了准确描述,引力作用的传播本质上是“空间扭曲”的传播,也即“引力波”。引力波的传播速度与光速相同,所以如果太阳爆炸,要等到8分20秒后(光从太阳传播到地球花费的时间)我们才会看到太阳爆炸的场景,引力变化对地球的影响也才刚刚开始。

量子场论中的"卡西米尔效应",华裔科学家想用来实现无摩擦轴承

经典场论一般将场描述为空间或时间中每一点所赋予的物理量,这个定义基于连续的时间和空间,但量子理论显然不这么认为,时间和空间应该也是量子化的。经典场经过量子化后产生新的理论——量子场论,它陈述了各式各样的基本场(如电磁场)在空间中每个点处处被量子化的现象。

量子场论中的"卡西米尔效应",华裔科学家想用来实现无摩擦轴承

“正则”的说法,空间中每点的场其实是一个谐振子,量子化则意味着每点有一个量子谐振子。场的激发则对应到粒子物理学中的基本粒子,因而空间中的每一点都具有一颗粒子所应该拥有的属性,如:自旋极化能量等等。

真空涨落

这样的理论图像会使真空也具有极其复杂的结构。从德国物理学家沃纳·海森堡的“不确定原理”可以推导出真空中存在“量子涨落”。看似空无一物的真空中,其实在不断生成无数“粒子-反粒子”的虚粒子对,粒子对借取能量而生成,又在短时间内湮灭归还了能量。由于持续的时间非常之短,粒子也“有借有还”,所以我们看到的宏观世界仍然是“能量守恒”的。

量子场论中的"卡西米尔效应",华裔科学家想用来实现无摩擦轴承

暴涨宇宙模型

1973年由美国教师爱德华·特莱恩在《自然》期刊上发表的文章,指出“宇宙源自真空中的量子涨落”,本来宇宙是一片虚无,是量子涨落“借”来的能量产生了宇宙中的物质。德国物理学家帕斯夸尔·约尔旦也认为宇宙中恒星的质量对应着正能量,其引力势则对应负能量(这里负能量是因为引力势能使引力场中其他物体所具有的能量,相当于恒星把能量贡献出去了,所以算起来是“负”的),二者刚好大小相等、相消为零。提出过“宇宙暴涨理论”的美国物理学家阿兰·古斯,后来以比较令人信服的论据完善了特莱恩的推论。

卡西米尔效应

由此,我们知道了量子场论中的真空不再那么“空”了。真空其实也有能量,简谐振子的量子化过程,指出真空还存在有一个最低的能量值,称作零点能,这个最低能量是通过将空间中的所有的驻波能量加和计算得到的,因此此值并不为零。

量子场论中的"卡西米尔效应",华裔科学家想用来实现无摩擦轴承

这时如果你放入两块金属板(或两块介电材料板),就会扰动真空中原有的驻波,形成新的能量分布。如果你将金属板挨得非常近(缝隙小到纳米级别),则金属板外侧的驻波集合将大于缝隙中的驻波集合,也即金属板内外产生能量差,导致真空涨落对板产生向内的压力,表现为两块金属板相互吸引,这就是卡西米尔效应。在纳米领域,卡西米尔也会导致常见的纳米颗粒团聚现象。

说完理论,谈点实验

20世纪50年代,就有科学家预测,如果将卡西米尔实验中的真空替换为流体环境,并将两块板之一换成比流体折射率低的材料,就能使两块板互相排斥,制造出排斥的卡西米尔力。

单纯的排斥力并不比单纯的吸引力更有用,不过要是能创造出可调的卡西米尔力,既可排斥也可吸引,那我们也许无需能量就能顶起一颗微粒。

2010年在美国麻省理工学院,亚历杭德罗·罗德里格斯教授与其同事提出了一款实现“卡西米尔平衡”的方案。首先需要一款流体,还要含有涂层的一款材料,并且从多种材料和拓扑结构方案中找到合适的组合,就能使流体中的卡西米尔力达到平衡。

量子场论中的"卡西米尔效应",华裔科学家想用来实现无摩擦轴承

而今年的一项新研究已经通过该方案第一次实现了“卡西米尔平衡”的展示,该研究由加州大学伯克利分校的华裔材料学家张翔主导,该成果发表于7月份的《科学》期刊上。张翔团队将金片和金箔放入乙醇中,其中的金片涂覆了一定厚度的聚四氟乙烯(也叫特氟龙,常用的不粘锅涂层材料),位于底部,而在之上的是一张纳米级厚度的金箔。金箔可以悬浮在金片之上,而经典理论不能解释这个现象。

实验原理解释

由于聚四氟乙烯的折射率低于乙醇,金箔与聚四氟乙烯之间会产生排斥的卡西米尔力,而金箔与金箔间会产生吸引的卡西米尔力。

量子场论中的"卡西米尔效应",华裔科学家想用来实现无摩擦轴承

当金箔非常靠近涂有聚四氟乙烯的金片时,金箔距离涂层比距离底部的金片近得多,此时斥力相对更强,金箔被推开。而随着金箔的远离,涂层产生的斥力与底部金片产生的引力变得相当,直到进一步引力占据主导,反而使金箔减速甚至朝底部运动。

总之,金箔将在斥力与引力的来回争夺中,在乙醇溶液中往返震荡并不断衰减能量,最终金箔将停在斥力与引力刚好相等的位置。此平衡状态下的金箔高度,会随聚四氟乙烯涂层的厚度增加而增加。

应用到硬盘的磁头技术中

量子场论中的"卡西米尔效应",华裔科学家想用来实现无摩擦轴承

机械硬盘的磁头

张翔认为这种“卡西米尔平衡”的方案存在多种技术应用,“如果计算机硬盘中的磁头以几米每秒的速度移动在盘片的原子级平面上方,那么卡西米尔力会将它们吸在一起从而导致硬盘崩溃,”他说。“导致计算机硬盘崩溃的元凶之一就是静摩擦力,另外在硅谷还有很多纳米机械装置失败的例子,如果有办法做到无摩擦轴承,那将非常令人期待。”


卡西米尔力原本只能产生引力,就仿佛这个世界上只有正电荷没有负电荷一样,必然是单调乏味的。直到有人发现了排斥性的卡西米尔力,就能如同正、负电荷共同构成原子一样发挥奇效。把本质如此复杂的卡西米尔力,用来创造一个简单的平衡系统,甚至装到硬盘里,物理真是大道至简、非常有趣。