近日，我校合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心和物理系中國科學院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授、張匯副研究員研究團隊在磁場調控卡斯米爾力研究方面取得重要進展。該團隊以磁流體為中間介質，成功實現了磁場調控下卡斯米爾（Casimir）吸引力到排斥力的可逆轉變。相關研究成果以“Magnetic-field tuning of the Casimir force”為題于5月24日以Article形式在線發表在《Nature Physics》上（DOI: 10.1038/s41567-024-02521-0）。

卡斯米爾效應是荷蘭物理學家亨德里克·卡斯米爾于1948年預言的一種現象，即在真空中兩片電中性金屬板在亞微米尺度上會因量子漲落而通常出現吸引力。除了量子力學基礎研究的價值，卡斯米爾效應還受到工業界的關注，因為卡斯米爾力對微機電系統器件影響很大。人們希望實現對卡斯米爾力的調控，特別是實現卡斯米爾力從吸引力到排斥力的外場調控。根據Lifshitz理論，卡斯米爾力受材料介電函數和磁導率影響，而之前的研究主要關注材料的介電函數設計，而大多數材料的介電函數對外場不敏感，使得外場調節卡斯米爾力一直是一個巨大挑戰。

研究團隊把目光轉向材料的磁導率調控。他們發現磁流體的磁導率可以被磁場所顯著調節。經研究團隊的巧妙設計，選擇以磁流體作為中間介質來研究金球和二氧化硅襯底之間的卡斯米爾效應。通過計算與實驗相結合，他們發現可以在很大的參數空間（磁場大小、金球與襯底距離、磁流體體積分數）范圍調節卡斯米爾力，特別是實現了磁場調控的卡斯米爾吸引力到排斥力的可逆轉變。在這一工作中，研究團隊克服了種種困難，開發了一種適用于非透明液體中卡斯米爾力測量的特殊懸臂梁裝置。本發現將推動量子漲落效應調控的深入研究和可能應用，為未來發展基于可調控卡斯米爾效應的微機電系統器件提供了新思路。

圖1：（a）磁場調控卡斯米爾效應示意圖；（b）測量裝置示意圖；（c）不同磁場下卡斯米爾力隨金球-襯底距離的變化。

本工作主要由曾長淦教授領導的“藍色原子極客中心”本科生科研團隊完成，2018級少年班學院本科生張一弛為論文第一作者，曾長淦教授、張匯副研究員為論文共同通訊作者。“藍色原子極客中心”科研團隊在校團委的支持下于2017年成立，成員全部是中科大在校本科生，成立以來一直致力于卡斯米爾效應研究。該團隊的另一項研究成果“掃描卡斯米爾力顯微鏡”于2023年獲第十屆“挑戰杯”安徽省大學生課外學術科技作品競賽一等獎，全國賽區三等獎，并申請了多項國家發明專利。本工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金重點項目、科技創新2030重大項目、科學院青年團隊項目、安徽省重大基礎研究項目等項目的資助，也得到了校團委“極客中心”、教務處“大學生創新創業計劃”、以及微納研究與制造中心的支持。

圖2：“藍色原子極客中心”本科生科研團隊部分成員在“挑戰杯”競賽頒獎現場。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-024-02521-0

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、物理學院、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院、少年班學院、科研部）