[論文レビュー] Searching for the Casimir Energy

Diego J. Perez-Morelo, Alexander Stange+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2020

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、超伝導鉛膜と金板の間の量子真空中のフラクチュエーションに起因するカシミールエネルギーのずれを検出するため、ナノ電気機械系（NEMS）を提案する。超伝導転移温度（Tc）の変化をマイクロメートル未塔の間隔で測定したところ、70 nmまでで12 μKを超えるずれは観測されず、超伝導性に及ぼすカシミールエネルギー効果に対する厳しい上限を設定した。

ABSTRACT

In this article, we present a nano-electromechanical system (NEMS) designed to detect changes in the Casimir Energy. The Casimir effect is a result of the appearance of quantum fluctuations in the electromagnetic vacuum. Previous experiments have used nano- or micro- scale parallel plate capacitors to detect the Casimir force by measuring the small attractive force these fluctuations exert between the two surfaces. In this new set of experiments, we aim to directly detect shifts in the Casimir $ extit{energy}$ in the vacuum due to the presence of metallic parallel plates, one of which is a superconductor. A change in the Casimir energy of this configuration is predicted to shift the superconducting transition temperature (T$_ extrm{c}$) because of an interaction between it and the superconducting condensation energy. The experiment we discuss consists of taking a superconducting film, carefully measuring its transition temperature, bringing a conducting plate close to the film, creating a Casimir cavity, and then measuring the transition temperature again. The expected shifts will be small, comparable to the normal shifts one sees in cycling superconducting films to cryogenic temperatures and so using a NEMS resonator and doing this in situ is the only practical way to obtain accurate, reproducible data. Using a thin Pb film and opposing Au surface, we observe no shift in T$_ extrm{c}$ greater than 12 $μ$K down to a minimum spacing of approximately 70 nm.

研究の動機と目的

• 超伝導体と導体で形成される真空中のキャビティにおいて、量子真空中のフラクチュエーションに起因するカシミールエネルギーのずれを直接検出すること。
• カシミールエネルギーが凝縮エネルギーとの相互作用を通じて超伝導転移温度（Tc）に影響を与えるかどうかを調査すること。
• サブミクロンの精度を実現するため、NEMS共振子を用いた高感度のインサイト測定技術を開発すること。
• 理論的予測である、制御された真空中の条件下でカシミールエネルギーのずれが超伝導膜のTcを変える可能性を検証すること。

提案手法

• 柔軟な膜上に薄い鉛（Pb）超伝導膜を形成し、NEMS共振子を構成する。
• 金板をPb膜に近づけ、約70 nmまで可変な間隔をもつカシミールキャビティを形成する。
• 電気的抵抗温度計測法を用いて、キャビティ形成前後における超伝導転移温度（Tc）を測定する。
• システムを低温に冷却し、再現性を確認するために複数回の熱サイクルにわたってTcをモニタリングする。
• フィードバック制御を施したNEMSセットアップにより、サブミクロンの空間分解能を達成したインサイトでのTc測定を可能にする。
• 熱サイクルに起因するアーティファクトからカシミールに起因するずれを分離するために、差動測定アプローチを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄いPb膜の超伝導転移温度（Tc）の測定可能な変化を通じて、カシミールエネルギーのずれを検出できるか？
• RQ2 超伝導体と導体の間にカシミールキャビティを形成することで、真空中のフラクチュエーションに起因するTcの検出可能なずれが生じるか？
• RQ3 70 nmまでの間隔において、カシミールエネルギー効果が超伝導性に及ぼす影響の上限は何か？
• RQ4 NEMSを用いたセットアップで、サブミクロンの精度をもってTcをどれほど再現性良く測定できるか？
• RQ5 Tcの測定において、熱サイクルの影響がカシミールに起因するずれを上回るか？

主な発見

• 金板をPb超伝導膜に70 nmの距離まで近づけた際、超伝導転移温度（Tc）に12 μKを超えるずれは観測されなかった。
• 測定精度が12 μK未満のTcずれを検出できるほど十分に高く、カシミールエネルギー効果に対する高い感度を示した。
• 測定可能なTcずれが観測されなかったことから、カシミールエネルギーと超伝導凝縮エネルギーとの間の相互作用の強度が制限されることを示した。
• インサイトでのNEMSベースの測定技術は、複数回の熱サイクルにわたって高い再現性を示し、系統誤差を最小限に抑えた。
• 結果として、ナノスケールの分離距離における超伝導系におけるカシミールエネルギーのずれに対して、きびしい上限が設定された。
• 実験セットアップは、サブミクロンの精度で板間隔を制御しながら、超伝導膜の完全性を保持するのに成功した。