[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究通过实验展示了，在临界二元液体混合物中，可调谐的临界卡西米尔力能够主动抵消导致微纳器件发生粘附的吸引力卡西米尔-利夫希茨力。当接近混合物的临界温度时，排斥性临界卡西米尔力出现，并使金片稳定悬浮于金涂层基底之上，实现纳米级精度的非接触状态。

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.

研究动机与目标

• 解决微机电系统和纳机电系统（MEMS/NEMS）中因吸引力卡西米尔-利夫希茨力而长期存在的粘附问题。
• 探究是否可通过温度调控的临界卡西米尔力，为微观物体提供动态、排斥性的控制。
• 通过在临界水- lutidine 混合物中，利用金片悬浮于金涂层基底之上的实验，展示力的可调性和粘附抑制效果。
• 建立一种无需依赖特殊材料或固定几何结构的主动、可逆且精确的纳米尺度力控制平台。

提出的方法

• 实验在临界二元液体混合物（水-lutidine）接近其上临界溶解温度时进行，将金片悬浮于平坦的金涂层基底上方。
• 利用全内反射显微术（TIRM）对系统进行成像，以纳米级精度监测金片的位置及其与基底的距离。
• 通过调节混合物的温度来调控临界卡西米尔力，使其接近临界点，此时涨落变得长程，力的符号发生反转。
• 采用Rotne-Prager近似和Blake解的水动力学模拟，对金片的运动进行建模，考虑了在无滑移壁面附近粘性流体中的自扩散和成对迁移张量。
• 通过倒置显微镜搭配油浸物镜采集光学反射光谱，并利用传输矩阵法分析以推断金片与基底之间的间距。
• 理论力模拟用于建模卡西米尔-利夫希茨力与临界卡西米尔力之间的相互作用，作为温度和间距的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可利用可调谐二元液体混合物中的临界卡西米尔力，主动抵消纳米器件中由卡西米尔-利夫希茨力引起的粘附？
• RQ2 当系统接近溶剂混合物的临界温度时，金片与基底之间的净力的符号和大小如何演变？
• RQ3 临界卡西米尔力在多大程度上可被调节，以实现微观物体的稳定、无接触平衡位置？
• RQ4 在临界条件下，水动力相互作用和布朗运动在金片靠近基底时的动力学中起何种作用？

主要发现

• 在水-lutidine 混合物的临界温度附近，排斥性临界卡西米尔力出现并变得足够强，足以克服吸引力卡西米尔-利夫希茨力，从而防止粘附。
• 当温度调节至接近临界点时，金片稳定悬浮于基底上方约100–200 nm处，位置控制达到纳米级精度。
• 实验观察到吸引力向排斥力的转变随温度变化，证实了临界卡西米尔力在临界点附近的狭窄温度窗口内具有可调谐性。
• 水动力学模拟表明，布朗旋转和粘性阻力对金片平衡位置的影响可忽略不计，支持了悬浮状态的稳定性。
• 通过调节温度，系统实现了净力的可逆、动态控制，实现了对纳米尺度物体的主动、非静态操控。
• 该实验装置在无需特殊材料或固定超材料的情况下实现了力的控制，为MEMS/NEMS应用提供了一种可扩展且可适应的平台。