近日，我校合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心國(guó)際功能材料量子設(shè)計(jì)中心和物理系中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曾長(zhǎng)淦教授、張匯副研究員研究團(tuán)隊(duì)在磁場(chǎng)調(diào)控卡斯米爾力研究方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)以磁流體為中間介質(zhì)，成功實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)調(diào)控下卡斯米爾（Casimir）吸引力到排斥力的可逆轉(zhuǎn)變。相關(guān)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(fā)表在《Nature Physics》上（DOI: 10.1038/s41567-024-02521-0）。

卡斯米爾效應(yīng)是荷蘭物理學(xué)家亨德里克·卡斯米爾于1948年預(yù)言的一種現(xiàn)象，即在真空中兩片電中性金屬板在亞微米尺度上會(huì)因量子漲落而通常出現(xiàn)吸引力。除了量子力學(xué)基礎(chǔ)研究的價(jià)值，卡斯米爾效應(yīng)還受到工業(yè)界的關(guān)注，因?yàn)榭ㄋ姑谞柫?duì)微機(jī)電系統(tǒng)器件影響很大。人們希望實(shí)現(xiàn)對(duì)卡斯米爾力的調(diào)控，特別是實(shí)現(xiàn)卡斯米爾力從吸引力到排斥力的外場(chǎng)調(diào)控。根據(jù)Lifshitz理論，卡斯米爾力受材料介電函數(shù)和磁導(dǎo)率影響，而之前的研究主要關(guān)注材料的介電函數(shù)設(shè)計(jì)，而大多數(shù)材料的介電函數(shù)對(duì)外場(chǎng)不敏感，使得外場(chǎng)調(diào)節(jié)卡斯米爾力一直是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

研究團(tuán)隊(duì)把目光轉(zhuǎn)向材料的磁導(dǎo)率調(diào)控。他們發(fā)現(xiàn)磁流體的磁導(dǎo)率可以被磁場(chǎng)所顯著調(diào)節(jié)。經(jīng)研究團(tuán)隊(duì)的巧妙設(shè)計(jì)，選擇以磁流體作為中間介質(zhì)來研究金球和二氧化硅襯底之間的卡斯米爾效應(yīng)。通過計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，他們發(fā)現(xiàn)可以在很大的參數(shù)空間（磁場(chǎng)大小、金球與襯底距離、磁流體體積分?jǐn)?shù)）范圍調(diào)節(jié)卡斯米爾力，特別是實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)調(diào)控的卡斯米爾吸引力到排斥力的可逆轉(zhuǎn)變。在這一工作中，研究團(tuán)隊(duì)克服了種種困難，開發(fā)了一種適用于非透明液體中卡斯米爾力測(cè)量的特殊懸臂梁裝置。本發(fā)現(xiàn)將推動(dòng)量子漲落效應(yīng)調(diào)控的深入研究和可能應(yīng)用，為未來發(fā)展基于可調(diào)控卡斯米爾效應(yīng)的微機(jī)電系統(tǒng)器件提供了新思路。

圖1：（a）磁場(chǎng)調(diào)控卡斯米爾效應(yīng)示意圖；（b）測(cè)量裝置示意圖；（c）不同磁場(chǎng)下卡斯米爾力隨金球-襯底距離的變化。

本工作主要由曾長(zhǎng)淦教授領(lǐng)導(dǎo)的“藍(lán)色原子極客中心”本科生科研團(tuán)隊(duì)完成，2018級(jí)少年班學(xué)院本科生張一弛為論文第一作者，曾長(zhǎng)淦教授、張匯副研究員為論文共同通訊作者。“藍(lán)色原子極客中心”科研團(tuán)隊(duì)在校團(tuán)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(yīng)研究。該團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)研究成果“掃描卡斯米爾力顯微鏡”于2023年獲第十屆“挑戰(zhàn)杯”安徽省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，全國(guó)賽區(qū)三等獎(jiǎng)，并申請(qǐng)了多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。本工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、科學(xué)院青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、安徽省重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助，也得到了校團(tuán)委“極客中心”、教務(wù)處“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃”、以及微納研究與制造中心的支持。

圖2：“藍(lán)色原子極客中心”本科生科研團(tuán)隊(duì)部分成員在“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽頒獎(jiǎng)現(xiàn)場(chǎng)。

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

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、物理學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、少年班學(xué)院、科研部）