[論文レビュー] Tunable critical Casimir forces counteract Casimir-Lifshitz attraction

Falko Schmidt, Agnese Callegari+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、臨界二成分液体混合物における調整可能な臨界カシミール力が、マイクロ・ナノデバイスのスタティックを引き起こす引力的カシミール＝リフシッツ力と能動的に相殺されることを実験的に示した。混合物の臨界温度に近づけることで、反発的臨界カシミール力が発現し、金ナノフラットを金被膜基板上にナノメートルの精度で接触させずに安定化させることが可能になる。

ABSTRACT

Casimir forces in quantum electrodynamics emerge between microscopic metallic objects because of the confinement of the vacuum electromagnetic fluctuations occurring even at zero temperature. Their generalization at finite temperature and in material media are referred to as Casimir--Lifshitz forces. These forces are typically attractive, leading to the widespread problem of stiction between the metallic parts of micro- and nanodevices. Recently, repulsive Casimir forces have been experimentally realized but their reliance on specialized materials prevents their dynamic control and thus limits their further applicability. Here, we experimentally demonstrate that repulsive critical Casimir forces, which emerge in a critical binary liquid mixture upon approaching the critical temperature, can be used to actively control microscopic and nanoscopic objects with nanometer precision. We demonstrate this by using critical Casimir forces to prevent the stiction caused by the Casimir--Lifshitz forces. We study a microscopic gold flake above a flat gold-coated substrate immersed in a critical mixture. Far from the critical temperature, stiction occurs because of dominant Casimir--Lifshitz forces. Upon approaching the critical temperature, however, we observe the emergence of repulsive critical Casimir forces that are sufficiently strong to counteract stiction. This experimental demonstration can accelerate the development of micro- and nanodevices by preventing stiction as well as providing active control and precise tunability of the forces acting between their constituent parts.

研究の動機と目的

• マイクロ・ナノ電気機械系（MEMS/NEMS）におけるスタティックの根本的問題を、引力的カシミール＝リフシッツ力によって引き起こされるものとして解決すること。
• 温度によって調整可能な臨界カシミール力が、微小物体に対して動的かつ反発的制御を可能にするかを検討すること。
• 臨界水–ルチジン混合物中における金ナノフラットと金被膜基板の間で、力の調整可能性とスタティック抑制を実験的に示すこと。
• 特殊材料や固定幾何形状に依存しない、能動的かつ可逆的で高精度なナノスケール力制御のためのプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 実験は、上部臨界溶液温度に近い臨界二成分液体混合物（水–ルチジン）中で、金ナノフラットを金被膜基板上に浮遊させる形で実施した。
• 全内反射顕微鏡（TIRM）を用いて、ナノメートルの精度でフラットの位置と基板からの距離をモニタリングした。
• 混合物の温度を変化させることで臨界カシミール力を調整し、臨界点に近づくことで、長距離にわたる揺らぎが生じ、力の符号が反転する条件を実現した。
• 自己およびペア移動度テンソルを考慮した粘性流体中におけるノーサービス壁に近接する状態を想定した、ロトネ＝プレイジャー近似とブレイク・ソリューションを用いた流体力学的シミュレーションにより、フラットの運動をモデル化した。
• 逆鏡顕微鏡を用いた油浸せん断レンズを介して光学的反射スペクトルを取得し、伝達行列法を用いてフラットと基板間の距離を推定した。
• 温度および分離距離の関数として、カシミール＝リフシッツ力と臨界カシミール力の相乗的相互作用をモデル化するための理論的力シミュレーションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 調整可能な二成分液体混合物における臨界カシミール力は、ナノデバイスにおけるカシミール＝リフシッツ力に起因するスタティックを能動的に相殺するために利用可能か？
• RQ2 溶媒混合物の臨界温度に近づくに従い、金ナノフラットと基板間の合成力の符号および大きさはどのように変化するか？
• RQ3 臨界カシミール力は、微小物体の接触を回避する安定な平衡位置を実現するために、どの程度調整可能か？
• RQ4 臨界条件下における基板に近接する状態でのフラットの力学的挙動において、流体力学的相互作用およびブラウン運動が果たす役割は何か？

主な発見

• 水–ルチジン混合物の臨界温度に近づくと、反発的臨界カシミール力が発現し、その強さが引力的カシミール＝リフシッツ力よりも大きくなり、スタティックを防止する。
• 温度を臨界点に近づけることで、フラットが基板上から約100–200 nmの距離で安定して浮上し、位置制御のナノメートルスケールの精度が達成された。
• 温度依存の力の符号変化が実験的に観察され、臨界点に近い狭い温度範囲において臨界カシミール力の調整可能性が裏付けられた。
• 流体力学的シミュレーションにより、ブラウン回転および粘性抵抗がフラットの平衡位置にほとんど影響しないことが確認され、浮上状態の安定性が支持された。
• 温度の調整により、合成力の能動的かつ可逆的な制御が可能であり、ナノスケール物体の非静的で動的制御が実現された。
• 実験装置は、特殊材料や固定メタマテリアルを必要とせず、MEMS/NEMSアプリケーションにスケーラブルかつ適応可能なプラットフォームを実現した。