Only Perception: 物理學家試圖減少開斯米力

2008-07-21

物理學家試圖減少開斯米力

Physicists tweak quantum force, reducing barrier to tiny devices
http://www.physorg.com/news135257349.html

July 14, 2008

無論如何，在我們的世界中 -- 鐃鈸（cymbals）不會自行鏗鏘作響。但量子世界則十分不同。當二片金屬板的位置幾乎快靠在一起時，它們會不由自主地相互吸引。

這種看似魔術的東西稱為開斯米力（Casimir force），而且在實驗中，它已證據確鑿。起因來自於量子物理學的中心：似乎是空無一物的空間事實上並非虛無，而是包含與電磁場波動相關的虛擬粒子。這些粒子從金屬板的內、外側推動。然而，只有波長較短的粒子 -- 在量子世界中，粒子同時以波的形態存在 -- 能合於金屬板之間的空間，故向外的壓力比向內的壓力稍微大一點。結果就是金屬板被迫一拍即合。

現在，Florida 大學的物理學家發現，他們能藉由改變金屬板的表面來減少開斯米力。當微小的「微電機（microelectromechanical）」系統 -- 所謂的 MEMS 那已廣泛用於各類消費者產品 -- 變得這麼小，以致於它們會受到量子力的影響時，這項發現能證明有用。

"我們並不是在談一種立即的應用，" Ho Bun Chan 說，物理助教授，同時也是一篇與這些發現有關的論文的第一作者。這篇論文今日出現在 Physical Review Letters 線上版。

"我們所談得是，如果裝置變得愈來愈小，一如所發生的微型化趨勢，那麼量子力將會加入戰局。"

更明確地說，這項發現有朝一日能幫助減少 MEMS 工程師所謂的「黏滯力（stiction，譯註：另一意是靜摩擦）」 -- 這時二個非常微小、非常靠近的物體會傾向黏在一起。

雖然黏滯力的起因有很多 -- 例如，包括水分子的存在，那傾向成團在一起 -- 開斯米力有所貢獻。當微機械中，元件間的間隔從微米往奈米尺寸縮小時，這樣的量子效應會變得很重要，Chan 說。

"有許多人都在設法減少黏滯力，而這項研究開啟了一種可能性，" 他說。

荷蘭物理學家 Hendrik Casimir 在 1948 年率先預言，二個間隔緊密的金屬板將會彼此吸引。這理論出來已經幾十年了，但是在 1996 年，物理學家 Steve Lamoreaux，接著在 Washington 大學利用扭力擺（torsional pendulum，此儀器可測量非常微弱的力）完成開斯米力的第一次精確測量。

接下來，在 2001 年一篇發表於 Science 的論文中，Chan 以及其他 Bell 實驗室團隊的成員報告運用開斯米力移動一具微小的金屬翹翹板（see-saw）。研究者以一種極端微小但控制良好的距離，將金屬求懸掛在翹翹板上方以上下 "推動" 它。那首度證明開斯米力會影響一個微機械裝置。

在最新研究中，徹底改變金屬板的形狀，以間隔均勻的溝壑使它們變成波浪狀，故它們有點類似一種三維的結合體（comb）。他們接著將成波浪狀的物體所產生的開斯米力與標準金屬板所產生的相比較，這些金屬板所面對的是一顆金屬球。

結果呢？"這種力在成波浪狀的物體上比較小，但並非如我們所預期的那麼小，" Chan 說，並補充道，若產生縐褶，金屬的總面積減少了一半，但開斯米力只減少約 30-40%。

Chan 說，這項實驗證明，單單把力添加在金屬板的連續組成部份（constituent solid parts） -- 在此例中是尖齒（tines）-- 以達到總力（total force）是不可能的。相反地，他說，"此力實際上是依賴物體的幾何學。"

"到目前為止，因邊界條件而對開斯米力造成顯著的或非微不足道（nontrivial）的修正，在實驗中尚未觀察到，" Lamoreaux，現在任職耶魯大學，在一篇伴隨該論文而來的評論中寫道。

※ 這些奇怪現象與宇宙本身的結構也許有關。

＊ Measurement of the Casimir Force between a Gold Sphere and a Silicon Surface with Nanoscale Trench Arrays
http://link.aps.org/abstract/PRL/v101/e030401