量子懸浮能防止奈米系統相互碰撞

Quantum levitation could prevent nano systems from crashing together
http://phys.org/news/2012-07-quantum-levitation-nano.html

By Lisa Zyga, July 2, 2012

(Phys.org) -- 自 1980 年代中期首度展示微電機系統（MEMS）以來，這項技術仍未證明如原本所預期的那樣有用。問題之一是，由於奈米尺度下強大的表面黏著力，微小的元件傾向黏在一起，此效應工程師稱為「黏滯（stiction）」。現在，在一項新研究裡，科學家指出藉由誘發元件間的量子懸浮（quantum levitation），這種問題也許能獲得解決，他們的證明只不過是在其中一個互動表面上增加薄薄的一層金屬塗佈。

這個來自挪威、澳洲與瑞典研究單位的研究團隊已將其奈米表面間之量子懸浮的研究，發表在最近一期的 Applied Physics Letters 上。

關於這種懸浮的奇怪事情是，它根源於 Casimir-Lifshitz 力，不管是吸力或斥力，那都具有不尋常的特性。身為凡德瓦（van der Waals）力的一種，由於粒子固有的電氣特性，它在鄰近的粒子間產生。在這項研究裡，科學家在液體（溴苯 [bromobenzene] 或甲苯 [toluene]）中觀察發生在二矽表面之間的 Casimir-Lifshitz 力。一般來說，這種力是吸力，不過當矽粒子相隔較遠時會變弱。這種減弱稱為阻滯（retardation）（效應），而研究者發現，他們在其中一個矽表面塗佈一層超薄的金，就能減少阻滯發生時的距離。

藉由修改塗佈矽表面的介電特性，這個小更動能使阻滯領域從相隔幾（several）奈米的距離減少到數（a few）奈米。事實上，阻滯效應使吸力減弱如此之多，以至於當表面相隔數奈米或更多時（此臨界距離稱為懸浮距離 [levitation distance]），這種力變成了斥力。在懸浮距離內，此力會再度變成吸力，然而超過此距離時，斥力會愈來愈大，直到最大值。在更大一點的距離下，此斥力穩穩低於最大值。

控制 Casimir-Lifshitz 力的能耐並非全新。自 1970 年代以來，科學家在理論上就已知曉這些效應，但直到最近奈米技術的發展，才允許實驗性研究。

"在甲苯中，二矽物體間的交互作用為吸力，" 瑞典 Linkoping 大學的共同作者 Bo Sernelius 表示。"先前研究已證明，若其中一物體由固態金物體取而代之，當距離超過懸浮距離時，此互動會變成斥力。因此，這裡有個潛在屏障，減少物體靠近並黏在一起的機會。我們發現（這是新發現），如果不是使用固態金物體，而是在矽物體上塗上薄薄一層金，懸浮距離會縮短且屏障會變得更高。防止黏滯（效應）的機會大幅增加。"

藉由阻止黏滯效應，量子懸浮也許提供一種方式，防止 MEMS 與 NEMS（nanoelectromechanical systems，奈米電機系統）中所用的表面出現相互碰撞的情況（這是因為其他表面間為相吸的凡德瓦力）。因為奈米塗層的厚度改變了互動表面的介電特性，研究者為了所需要的懸浮距離，能精確測定正確的厚度。如果這種技術有效，那也許在 MEMS 與 NEMS 領域中能提供最迫切需要的革新。

在未來，研究者計畫將他們的研究拓展到其他材料，例如氧化鋅與二氧化鉿（hafnia），那廣泛用於微電子與微光學裝置。他們還有一篇即將發表的論文（arxiv.org/abs/1206.4852v1），在其中，他們研究受限於一奈米通道的受激銫原子間的斥力與吸力，那與那些在自由空間的銫原子十分不同。

"二銫原子靠在一起且處於受激態下，能形成不尋常的大分子，那時在它們在二金表面之間，" 挪威 Norwegian 科技大學及澳洲澳大利亞國立大學的共同作者 Mathias Bostrom 解釋。

"這些受激態原子間之交互作用所產生的阻滯效應與我們在金塗佈矽奈米表面間以及在甲苯中的矽表面間所發現的 Casimir-Lifshitz 力非常類似。因此，我們發現一種長距離的吸力，那使原子聚在一起，以及短距離的斥力，那使結合態（bound states，防止原子相互碰撞，換言之，形成超大型分子）成為可能。"

最後，藉由觀察異向性效應（anisotropic effects，那是不同的特性，當平行或垂直於材料界面時出現），研究者計畫更進一步研究量子懸浮如何能用於 NEMS。

"我們在 Oslo 的同僚（Oslo 大學的 Clas Persson 教授與其團隊）已計算薄金片的實際材料光學特性（介電函數，dielectric function），那將用於研究異向性效應如何影響具有金奈米塗佈的 NEMS。這種改善過的計算也許有可能會影響「具有斥力的距離（防止系統相互碰撞）」。我們的目標是在今年秋天進行這樣的計算。"

※ 相關報導：

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http://dx.doi.org/10.1063/1.4729822

Mathias Bostrom, Barry W. Ninham, Iver Brevik, Clas Persson,
Drew F. Parsons, and Bo E. Sernelius
Appl. Phys. Lett. 100, 253104 (2012); (4 pages)
doi: 10.1063/1.4729822

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