[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究提出一种纳米机电系统（NEMS），用于探测超导铅薄膜与金板之间因量子真空涨落引起的卡西米尔能量偏移。通过测量亚微米间距下超导转变温度（Tc）的变化，实验在70 nm间距下未发现超过12 μK的偏移，为卡西米尔能量对超导性的影响设定了严格上限。

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.

研究动机与目标

• 直接探测由超导体与导体构成的真空腔中因量子真空涨落引起的卡西米尔能量偏移。
• 研究卡西米尔能量是否通过与凝聚能相互作用而影响超导转变温度（Tc）。
• 开发一种基于NEMS谐振器的高灵敏度原位测量技术，实现在Tc测量中亚微米精度。
• 检验理论预测：在受控真空条件下，卡西米尔能量偏移可能改变超导薄膜的Tc。

提出的方法

• 在柔性膜上制备一层薄铅（Pb）超导薄膜，构成NEMS谐振器。
• 将金板靠近Pb薄膜，形成间距可调的卡西米尔腔，最小间距达约70 nm。
• 利用电阻测温法在腔体形成前后测量超导转变温度（Tc）。
• 系统冷却至低温，并在多个热循环过程中监测Tc，以确保可重复性。
• 采用反馈控制的NEMS装置，实现在亚微米空间分辨率下对Tc进行精确的原位测量。
• 实验采用差分测量方法，将卡西米尔引起的偏移与热循环引起的伪影分离开来。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过薄Pb薄膜超导转变温度（Tc）的可测量变化来探测卡西米尔能量偏移？
• RQ2 在超导体与导体之间存在卡西米尔腔时，是否由于真空涨落而引起Tc的可探测偏移？
• RQ3 在间距小至70 nm时，卡西米尔能量对超导性影响的上限是多少？
• RQ4 在基于NEMS的装置中，能否以亚微米精度高重复性地测量Tc？
• RQ5 在Tc测量中，热循环效应是否主导于卡西米尔引起的偏移？

主要发现

• 当金板靠近Pb超导薄膜至70 nm间距时，未观测到超导转变温度（Tc）偏移超过12 μK。
• 测量精度足以探测低至12 μK的Tc偏移，表明对卡西米尔能量效应具有高灵敏度。
• 未观测到可测量的Tc偏移，限制了卡西米尔能量与超导凝聚能之间相互作用的强度。
• 原位NEMS测量技术在多个热循环中表现出高可重复性，有效减小了系统误差。
• 结果为纳米尺度间距下超导系统中的卡西米尔能量偏移设定了严格上限。
• 实验装置成功实现了对板间距的亚微米控制，同时保持了超导薄膜的完整性。