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含特殊光学材料三明治结构间Casimir力的研究

时间:2018-02-12 16:51来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是材料工程论文,本文首先对 Casimir 效应进行了概述,其中包括 Casimir 效应的研究背景和意义,理论的研究现状和 Casimir 力实际测量的进展。
第 1 章 绪论
 
Casimir 效应是真空涨落引起的宏观量子效应,空间边界的存在使量子化的零点能发生改变,进而对边界产生作用力[1,2,3]。1948 年 Casimir 提出了真空中两块中性理想平行导体间存在引力的理论,此后人们开展了进一步的理论研究与实验验证。Casimir 效应的广泛应用研究包括例如声学中的相关波动现象 ,液晶中物体的旋转扭力等;尤其在近期高速发展的微纳米机械系统中,Casimir 作用力表现为很强的吸引力,从而会造成微纳米机械器件吸附在一起无法使用。因此最近人们聚焦于开发 Casimir 排斥力及回复力产生的可能性。Boyer首先指出,当边界材料为磁性介质时,即理想导体板和强磁导率的材料板间可以出现 Casimir 排斥力[4,5]。2009 年哈佛大学 Munday 等人通过实验的方法,首次测量出了 Casimir 排斥力[6]。近年来,一些具有特殊电磁性能的光学材料不断被实验制备出来,其中一种为特异材料,它是一种新型的具有周期性排列单元的人工结构,它有着如负折射、完美成像、逆向多普勒效应 等诸多的新奇物理学特性[7,8,9]。特异材料往往是色散的,它的介电常数和磁导率可以为负数,并且可以通过改变其色散参数的大小,来人为调控它的电磁特性。另一种为磁光材料,它是一种具有磁光效应的磁性介质[10,11,12]。磁光材料最显著的特点是,在外部电磁场的作用下,其电磁特性尤其是磁极化特性可以被调控。因此以上两种特殊的光学材料在特定电磁波段均可以获得非凡的磁属性,这为 Casimir 排斥力的产生提供了可能。本文通过将两类特殊的光学材料(特异材料和磁光材料)插入到一般的双层结构中从而构成三明治结构,主要研究了此两类三明治结构间的 Casimir 作用力、材料板的各项参数对 Casimir 作用力的影响关系以及 Casimir 排斥力和回复力的产生情况。论文首先对 Casimir 效应的研究意义、理论进展、实验的测量情况以及本文的主要工作和创新点做简要的说明。
 
1.1 Casimir 效应
1948 年荷兰物理学家 Hendrik Casimir 提出:真空中,靠的很近的两块 不带电的平行理想导体板间会产生相互吸引的力,这种现象后来被称作 Casimir 效应,这种吸引力被称为 Casimir 力[13]。Casimir 效应是真空零点能涨落在宏观尺度的直接表现,也是量子场论在宏观世界的一个重要预言[14]。迄今为止,关于 Casimir 效应的形成原因有好几种讨论,其中一种最经典的观点是根据辐射压理论进行解释的,即 Casimir 力为两平板内外表面向外与外向里的辐射压之差[15],如图 1.1 所示。Casimir 效应是一种可观测的宏观量子效应,它主要是作用在两个宏观物体之间的吸引压力。自从 1948 年 Casimir 提出该理论至今,70 多年来各国物理学家对 Casimir 效应的研究从未没有停止过,对于 Casimir 效应研究已经成为当今物理学中一个重要的热点课题。近年来,随着微纳米机械系统的快速发展,系统的尺寸越做越小,此时 Casimir效应所引起的问题已经无法忽视了。这是因为当系统尺寸达到微米级别时,Casimir 力已成为系统内的主要作用力,且它表现为一种强的吸引力,这会使系统内的微小器件吸附在一起,从而造成系统无法正常使用。因此,深入的研究 Casimir 效应,并找到解决克服微纳米机械系统中黏合问题的方法,显得极为迫切而重要。另外,Casimir 效应是一个多学科融合前沿研究领域,所以,它的研究也将会对原子物理、腔电动力学、凝聚态物理、材料学、化学、生物学等各个领域产生重要的推动作用。
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1.2 本论文研究的主要内容和创新点
本文在前人关于两块板结构间的 Casimir 作用力的研究理论基础上,创新性对两类三明治结构间的 Casimir 效应进行了研究和分析,一类是含色散特异材料板三明治结构间的 Casimir 作用力,另一类为含磁光材料板三明治结构间 Casimir 作用力,本文主要的研究内容和创新点如下:1.本文首先介绍了 Casimir 效应,其中包括了 Casimir效应的研究背景和意义,理论的研究现状和 Casimir 力实际测量的进展。其次,还详细的介绍了特异材料和磁光材料等特殊光学材料的理论基础知识,包括材料的奇异特性、实验制备以及应用进展。2.基于 Lifshiftz 理论和 Maxwell 应力张量法,我们先推导出了包含特异材料板的两层板结构间 Casimir 作用力计算表达式。然后在此两层板结构的基础上,推导出了三维空间电磁模式的传输矩阵,并利用传输矩阵的方法计算出了三明治结构间的反射系数,最后得到了有利于数值计算的三明治结构间 Casimir 作用力的计算表达式。3.本文重点研究了含色散特异材料三明治结构间的 Casimir 效应。通过将色散特异材料插入到一类常用结构即金属薄板-电介质基底(如硅材料)的两层结构中构成三明治结构。我们具体分析了特异材料板的磁等离子频率,磁共振频率以及电介质板基底的介电常数等参数对三明治结构间 Casimir 作用力大小和方向的影响. 结果表明,随着的磁等离子频率增大、磁共振频率的减小以及电介质板基底的介电常数的减小,三明治结构随板间距的变化可以表现出强的 Casimir 排斥力,从而可以使金属薄板产生量子悬浮现象。另外,随着板间距进一步增大,通过调控特异材料板的填充比例因子、厚度、中层距的大小,可以使三明治结构随板间距的变化表现出 Casimir 平衡回复力。
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第 2 章 特殊光学材料
 
2.1 特异材料
特异材料是人工合成的且有着超常物理学特性的一类光学材料,科学家们已经在光波段将其制备出来[23-27]。特异材料最大的优势在于,我们可以通过修改它的人工周期性单元的参数,从而可以对它的电磁特性进行人为的进行调控。此外,特异材料的亚波长尺寸的微结构表面能够产生一系列,比如负折射、完美透镜、逆向多普勒等奇特的物理现象,由于其新奇的电磁特性以及潜在的巨大应用前景,特异材料已经成为近年来最热门研究领域之一[28]。
 
2.1.1 特异材料的研究进展
前苏联著名的物理学家 Veslago 在 1968 年基于 Maxwell 方程,创造性的提出了介质材料的 介电常数和磁导率可以同时为负值的理论假想,这也是最早的特异材料概念的雏形[29,30]。由于只是一种理论假设,且自然界并没有存在该特性的材料,所以在当时并没有引起很大的关注。1987 年 John 等人首先提出了光子晶体的概念,它是一种光子禁带材料,频率在光子带隙的电磁将不能在光子晶体中传播[31]。且这种材料在自然界中存在。直到 2000 年,Pendry 等人才实现了 Veslago 的假设,首先它们提出了分别实现负介电常数和负磁导率等目标材料的理论模型[32,33],并成功设计出了一种具有磁极化特性的周期性结构,并且在实验中首次证实了该周期性结构存在负折射现象。经过不断的争论和验证,目前这次结论已经得到了学术界的普遍认可。这是一个里程碑意义上的突破,从此标志着特异材料研究进入了新纪元。2003 年,Pacheco 等人通过计算多色谱从普通材料向左手材料入射时的透射波特性,证明了多色谱从普通材料入射到左手材料中时,具有负折射特性,Smith 等人对此进行补充和完善[34]。同年,Luo 等人的研究工作发现在由光子晶体构成的左手材料中,倏逝波被放大,能够得到一个清晰的点像[35]。Cubukcu 等人通过理论和实验证明了二维光子晶体中存在超聚焦和负折射现象。这两项发现为左手材料在微波透镜方面的应用奠定了基础。
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2.2 磁光材料
磁光材料是指在可见光和红外光波段具有磁光效应的光信息功能材料[42-45]。它与其他材料的最显著的不同在于具有良好的磁光性能,即在一定的外部电磁场的作用下,材料的电磁特性可以人为的进行调控。近年来,随着激光、计算机、信息、光通信等高新技术的快速发展,利用磁光材料可以研制出的各种优良性能的磁光器件,所以引起人们越来越广泛的研究。磁光玻璃是一种非晶体弱磁材料,由于自身具有一系列优良的性能特性,它在磁光隔离器、磁光传感器、磁光调制器以及磁光开关等磁光器件中,有着十分广泛的应用。它的主要优势在于,价格低廉便于减少磁光器件的成本,并且它的延展性好,便于制成不同形状或大尺寸规格的产品,还可以通过拉伸制作成光纤。且最为重要的是它不会磁饱和,故其在可见光和红外光存在良好的透光性以及较强的法拉第旋转效应。磁光玻璃可以按偏转角度方向的不同划分为顺磁玻璃和逆磁玻璃两大类。顺磁性玻璃的费尔德常数较大,所以磁光效应的灵敏度比较高,但是它的缺点是受温度的影响较大。而逆磁性玻璃虽然费尔德常数受温度变化很小,但是其值也很小,从而影响磁光效应的灵敏度。可见能够改善磁光玻璃的磁光效应的有效手段就是既保证较大的费尔德常数,又保证磁光效应的灵敏度。磁光玻璃的品质因子表达为费尔德常数与吸收系数的比值的绝对值,它是评价磁光玻璃性能的一个重要指标。可知当吸收系数为定值时,费尔德常数越大,品质因子越大,材料的磁光性能越好[46]。所以在保证磁光玻璃各性能的基础上,如何提高费尔德常数是科研人员的研究目标。钇铁石榴石是自然界中十分常见的硅盐酸类矿物,钇铁石榴石的单晶分子式是3 5 12Y Fe o ,简称 YIG。钇铁石榴石属于立方晶体结构,在钇铁石榴石单晶中,Y 离子是非磁性离子,而 Fe 离子则属于磁性离子,而且每个分子式中不同位的 2 个 Fe 离子的磁矩与 3 个 Fe 离子的磁矩相反且平行。钇铁石榴石总的磁矩相当于一个 Fe 离子的净磁矩。狄龙在 1956 年首次发现了钇铁石榴石单晶能够传递红外光,并进一步研究了钇铁石榴石在红外光范围内的法拉第旋转现象和光吸收特性。钇铁石榴石在近红外区域吸收系数很小,是现在已知的磁光性能最好的亚铁磁性晶体。对钇铁石榴石单晶薄膜基本性能的研究基本成熟以后,人们如今开始研究各种元素掺杂对钇铁石榴石磁光薄膜光性能的影响。其中掺Bi和掺Ce系列的稀土石榴石磁光薄膜材料因为具有较大的法拉第旋转角,所以具有巨大的应用前景,同时也受到研究人员的重视,成为研究一大热点。
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第 3 章 介质板间的 Casimir 作用力的计算..............21
3.1 理想导体板间 Casimir 作用力的计算...........21
3.2 实际介质间 Casimir 效应的 Lifshiz 理论......22
3.3 包含特异材料介质空间情况下 Casimir 作用力的计算.......24
3.4 本章小结..........29
第 4 章 含色散特异材料三明治结构间 Casimir 作用力的研究......30
4.1 含色散特异材料三明治结构间 Casmir 作用力的计算........30
4.2 含色散特异材料三明治结构间的 Casimir 作用力...............32
4.2.1 Casimir 排斥力..............33
4.2.2 Casimir 回复力..............35
4.3 本章小结..........37
第 5 章 含磁光材料三明治结构间 Casimir 作用力的研究..............39
5.1 含磁光材料三明治结构间 Casimir 作用力的计算...............39
5.2 含磁光材料三明治结构间的 Casimir 作用力...........40
5.3 本章小结..........44
 
第 5 章 含磁光材料三明治结构间 Casimir 作用力的研究
 
近年来,随着磁性介质材料的迅猛发展,很多高性能磁光材料已经被实验制备出来。磁光材料在外部磁场的作用下,其电磁特性尤其磁响应特性可以被调控,因此在可见光与红外波段可以获得非凡的磁属性,这为产生 Casimir 排斥力提供了条件。本章中,通过将磁光材料插入到两块金属板结构中而构成三明治结构。基于 Lifshiftz 理论和麦克斯韦应力张量法,并通过传输矩阵法计算出各磁光材料的反射系数,从而得出了含磁光材料三明治结构间 Casimir 力表达式,进一步讨论了磁光材料的特征频率参数、厚度、中层距以及金属板的等离子频率等因素对 Casimir 相对作用力的影响,得出了相关结论。
 
5.1 含磁光材料三明治结构间 Casimir 作用力的计算
三明治结构如图 5.1 所示,A、B 两板均为轻薄的金属板,在两板之间加入一块磁光材料板,构成三层板结构。三块板的厚度均为d ,且金属板 A 与磁光材料板间的距离为a,金属板B 与磁光材料间的距离为1a ,其中金属板 A是可以移动的,金属B 固定不动,这样有利于观察悬浮的现象,即产生了排斥性的 Casimir 作用力。与第四章计算含特异材料三明治结构 Casimir 作用力的方法相同,之所以会出现引力、斥力以及斥力、引力相互转变,是因为当板间距很小时,对Casimir 力提供主要贡献的有效电磁模式频段为高频,在频率极高时,磁光材料对外显电性。另外,金属板 A 一般显电性,故此时 Casimir 作用力为吸引力。但随着板间距的增大,对 Casimir 力提供主要贡献的有效电磁模式频段转变为中低频,磁光材料磁响应特性逐渐增强,电响应特性逐渐减弱,Casimir 排斥力贡献逐渐增大吸引力贡献逐渐减小,此时会出现排斥力。但是随着间距的进一步增大,磁光材料趋于电响应强于磁响应,排斥力的贡献逐渐减小吸引力贡献逐渐增强,便于发生由排斥力到吸引力的转变,因此会产生平衡回复力。
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结论
 
总结Casimi 效应对微纳米机械系统的稳定性产生极其重要的影响。近年来,随着人工特异材料和磁光材料等特殊光学材料的不断发展,人们可制备在特定频段尤其是光频段具有强磁响应的材料,通过将这特殊的光学材料作为边界材料,有可能会产生排斥性的Casimir作用力。因此本文在前人关于两块板结构间的Casimir作用力的研究理论基础上,创新性对两类三明治结构间的 Casimir 效应进行了研究和分析,一类是含色散特异材料板三明治结构间的 Casimir 作用力,另一类为含磁光材料板三明治结构间 Casimir 作用力。本文主要的研究工作和得到的结论如下:
1.本文首先对 Casimir 效应进行了概述,其中包括 Casimir 效应的研究背景和意义,理论的研究现状和 Casimir 力实际测量的进展。其次,还详细的介绍了特异材料和磁光材料等特殊光学材料的理论基础知识,包括材料的奇异特性、实验制备以及应用进展。
2.基于 Lifshiftz 理论和 Maxwell应力张量法,我们先推导出了包含特异材料板的两层板结构间 Casimir 作用力计算表达式。然后在此两层板结构的基础上,推导出了三维空间电磁模式的传输矩阵,并利用传输矩阵的方法计算出了三明治结构间的反射系数,最后得到了有利于数值计算的三明治结构间 Casimir 作用力的计算表达式。
3.本文重点研究了含色散特异材料三明治结构间的 Casimir 效应。通过将色散特异材料插入到一类常用结构即金属薄板-电介质基底(如硅材料)的两层结构中构成三明治结构。我们具体分析了特异材料板的磁等离子频率,磁共振频率以及电介质板基底的介电常数等参数对三明治结构间 Casimir 作用力大小和方向的影响. 结果表明,随着的磁等离子频率增大、磁共振频率的减小以及电介质板基底的介电常数的减小,三明治结构随板间距的变化可以表现出强的 Casimir 排斥力,从而可以使金属薄板产生量子悬浮现象。 另外,随着板间距进一步增大,通过调控特异材料板的填充比例因子、厚度、中层距的大小,可以使三明治结构随板间距的变化表现出 Casimir 平衡回复力。
4.此外,还研究了含磁光材料三明治间的 Casimir 效应。我们分析了磁光材料板的特征频率、中层距、材料板厚度等参数对三明治结构间 Casimir 作用力大小和方向的影响。结果表明,通过在两块金属板结构间插入磁光材料板后,可以使原来两板间的 Casimir吸引力转变为排斥力,并且在一定板间距下还出现了平衡回复力。且特征频率的越小、中层距的越大以及材料厚度越大时,三明治结构间获得的排斥力越大,产生回复力的平衡位置也会越远。总之,以上两类三明治结构通过调控材料的电磁特性均能获得Casimir排斥力和回复力,这不仅避免了真空零点能的辐射压带来的不良影响,对保持微纳米机械系统的稳定性非常重要,同时也具有可进一步开发的应用价值。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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