Casimir排斥力的研究

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Casimir效应是由量子真空场的涨落引起的,是一个可观测的宏观量子效应。H.B.G.Casimir首先发现此效应,并指出真空中两块平行的不带电的理想导体板之间存在吸引力,这就是Casimir作用力。由于Casimir效应通常表现在纳米范围,所以当器件尺寸进入微米或纳米范围时,Casimir作用力成为影响器件的主要因素,将引起粘滞和表面附着作用,这对灵活操纵微机电系统和纳米机电系统装置是一个挑战。  随着Casimir理论和数值计算方法研究的深入,近年来,对不同电磁特性的材料以及不同几何形状的边界条件进行了研究,目的是调控Casimir力,获得排斥力。目前,获得Casimir排斥力的主要途径有:根据边界材料的电磁特性(具体包括,被液体分开的两固体且它们介电常数满足关系εsolid1<εfluid<εsolid2;一块主要电性材料和一块主要磁性材料;利用电磁超材料);根据特殊的几何形状。  本文主要围绕获得Casimir排斥力进行仿真计算,包括两部分:  (1)基于Lifshitz一般理论,计算了不同掺杂程度的硅片和电磁超材料之间的Casimir效应,研究了掺杂硅的掺杂程度和其厚度,以及电磁超材料的填充比例因子和各向异性对Casimir效应的影响。仿真结果表明,掺杂硅片和电磁超材料板间的Casimir作用力的大小和方向随着掺杂程度、材料厚度和填充比例因子的变化而改变,进而可由此调控Casimir效应;而且板之间距离在一定范围内能够表现出平衡回复力,平衡回复力为解决微机电系统和纳米机电系统的稳定性问题提供了一种方法。  (2)基于时域有限差分法(FDTD)计算了特殊结构模型的Casimir效应,H.B.G.Casimir在提出Casimir效应时指出,两块不带电的理想导体板之间Casimir作用力只表现为吸引力,但在相同材料下,通过改变模型结构或者几何形状,Casimir作用力可以表现为排斥力,同时,研究了模型的几何参数对Casimir效应的影响,并从静电学的角度出发给出了物理解释。
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