微腔中的Casimir及Casimir-Polder自由能的研究

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从20世纪开始,对黑体辐射光谱行为的研究就激励着物理学家们对电磁场进行量子化。这一过程不可避免地使人们意识到了零点能的存在,即所谓的真空涨落。真空涨落既可以引发原子的自发辐射,又可以引发电子的反常磁矩及兰姆位移。如果要研究的场是一个热真空场,上述现象还会受到温度的影响。同样,量子的真空涨落也能够引发Casimir效应。60多年前,Casimir发现放置在真空中的两块电中性的理想导体板之间存在着一种相互吸引的作用力。该物理现象就是十分著名的Casimir效应。同一年,Casimir与Polder还发现放置在真空中的一块理想的导体板与一个中性的原子之间也存在着相互吸引的作用力,此即Casimir-Polder力。Casimir-Polder力及Casimir效应都属于纯粹的量子现象,它们都是由材料边界条件的不同以及电磁场的零点涨落所引起的。很大程度上,它们取决于边界的几何形状等方面,比如流形几何和拓扑。最近,科学家们还在铁磁以及镍表面进行了相关实验。实验结果证明,Casimir力的大小可以通过制造具有纳米级别的波纹表面加以控制,这一成果开辟了一条新型纳米技术应用的道路。与此同时,温度对Casimir效应以及Casimir-Polder力的影响也是一类热点研究问题。本文首先简要介绍了有关Casimir效应以及Casimir-Polder力的研究进展。然后应用热场动力学、微扰理论研究了温度对有输出耦合的腔中Casimir能的影响,得出了腔中的Casimir自由能,并分别计算出低温和高温极限情况下的Casimir自由能;在此基础上,研究了温度和微扰高阶项对微波激射腔和二能级原子所组成的系统的Casimir-Polder能的影响,并且给出了腔中的Casimir-Polder自由能。最后总结全文,并对接下来的工作进行了合理的展望。
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