各向异性介质之间Casimir效应及其相关研究

论文摘要

Casimir效应是一种由于真空电磁场涨落而在宏观物体之间产生的力,是量子理论最重要的预言之一,也是量子效应的一种宏观表现。它在物理学领域占有很重要的地位,并且对纳米技术、微电子技术等应用方面也有重要影响。Casimir效应可以看作电磁场边值问题。Lifshitz的原始理论研究了各向同性的非磁性材料之间的Casimir效应。考虑边界材料的各向异性、非平凡磁属性以及介电常数和磁导率的频率色散会带来很多新的物理现象。本文使用量子化表面模式方法计算了两个各向异性metamaterial平行平面之间的Casimir力,并考虑了边界的非平凡磁属性以及材料色散。我们主要关注Casimir力能否在吸引和排斥之间转化。计算结果显示当两平面间距比较小的时候,Casimir力表现为吸引。但是随着间距增大Casimir力会逐渐转化为排斥,直到趋向于零。Metamaterial的各项参数都会对Casimir力的大小和方向造成影响。另外,随着边界各向异性程度的变化,Casimir力同样可以在吸引和排斥之间转化。我们通过分析这些现象的物理意义得出:Casimir力吸引和排斥之间转化的根本原因是边界的非平凡磁属性以及介电常数和磁导率的频率色散共同作用的结果,反映了电属性和磁属性的竞争。在上述工作基础上,又用量子化表面模式方法计算了各向异性metamaterial平行平面之间的Casimir力矩,分析了边界的非平凡磁属性以及材料色散具体如何影响Casimir力矩。结果表明Casimir力矩随两个平面的光轴之间夹角变化而周期性变化,周期为π。Casimir力矩总是使两边界的光轴趋向平行。当间距较小的时候边界磁属性的效果是“促进”光轴趋向平行。当间距较大的时候边界磁属性的效果是“抵抗”光轴趋向平行,类似于“排斥”的效果。造成这种现象也是边界的非平凡磁属性以及介电常数和磁导率的频率色散共同作用的结果。此外,作者还对自己进行Casimir效应实验测量的失败经验进行了总结。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图片索引
• 表格索引
• 1 Casimir效应
• 1.1 Casimir效应的物理起源
• 1.2 Casimir效应的意义和应用
• 1.3 Casimir效应研究领域的成就
• 1.4 当前Casimir效应研究的问题和热点
• 1.5 我的研究工作的主要内容
• 1.6 本文的内容结构
• 2 各向同性介质之间的Casimir效应
• 2.1 材料的介电常数和磁导率的频率色散
• 2.2 量子化表面模式计算方法
• 2.3 有限温度对Casimir效应的影响及其争议
• 2.4 边界几何形状对Casimir效应的影响
• 2.5 Casimir排斥力
• 2.6 小结
• 3 各向异性介质之间的Casimir力
• 3.1 各向异性介质之间的Casimir力
• 3.2 各向异性平行平面之间Casimir力
• 3.3 Casimir力在吸引和排斥之间转化
• 3.4 Metamaterial的参数对Casimir力的影响
• 3.5 有限温度的影响
• 3.6 实验测量Casimir力在吸引和排斥之间转化的可行性考虑
• 3.7 和世界上类似工作的对比分析
• 3.8 小结
• 4 各向异性介质之间的Casimir力矩
• 4.1 Casimir力矩
• 4.2 各向异性介质平行平面之间的Casimir力矩的计算
• 4.3 边界非平凡磁属性对Casimir力矩的影响
• 4.4 小结
• 5 Casimir力测量实验
• 5.1 世界上已完成Casimir力测量实验及局限性
• 5.2 我们在Casimir效应测量实验中获得的经验
• 5.3 太空中测量Casimir效应的构想
• 5.4 小结
• 6 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文及国内外学术会议报告目录
• 附录2 幅角定理Argument Theorem
• 附录3 求线性方程组系数矩阵特征向量以及特征值的MATHMATICA程序
• TE²和Q_TE²的MATHMATICA程序'>附录4 求解及展开Q_TE²和Q_TE²的MATHMATICA程序
• 附录5 Casimir能量的具体推导和化简
• 附录6 Metamaterial之间Casimir力和力矩的Matlab计算程序