期待已久的对卡西米尔扭矩的理解

物理学家几十年来，卡西米尔力量得到了很好的研究，但最近在实验室中重新创建了这种效果的一个特别有趣的方面。通过他的研究，中国科学院大学Wijnand Broer博士建立了这些突破，探讨了导致一些专门材料表面彼此靠近时旋转的过程。他的团队的调查结果已经生产了40多年来的“卡西米尔扭矩”的第一个更新的解释，很快就会导致各种技术应用。

虽然完美的真空是完全没有任何问题的，但在内部发挥的物理过程是舒静的。通过量子力学的奇怪规律，真空中的“波动”可能导致电磁波出现，看似偏离任何地方。1948年，荷兰物理学家Hendrik Casimir预测，而不是抽象的概念，这些波动可以在物理对象上发挥真正的力量：即两个电中性，反射彼此面对的反射表面。“When such electromagnetic fields travel from one surface to another, they give rise to an interaction between the surfaces: the so-called the ‘Casimir force’”, explains Dr Wijnand Broer, senior postdoc at the University of Chinese Academy of Sciences in Beijing. “This force is attractive in most cases, meaning it tries to pull the surfaces together.”

对于只有纳米或微米间距的表面，这种效应尤为明显。这是因为在如此小的间隙中出现的电磁波对它们施加的压力通常比外部波施加的压力要小，这意味着它们明显是被推到一起的。尽管在卡西米尔的时代，这只是一种有趣的好奇心，但随着我们的技术越来越小，以及关于宇宙本质的新想法的出现，卡西米尔力现在越来越与现代物理学相关。

或者，这种效应可以理解为表面电荷位置的量子力学不确定性的结果。这些电荷波动引起表面电荷分布的暂时差异，导致它们之间产生宏观力。在相对较短的距离，光速似乎是无限的，同时卡西米尔相互作用，卡西米尔力有时也被称为范德华力。

“卡西米尔力量以实际原因研究，关于荆棘博士博士博士的互相邻近的微型机器，其部件彼此靠近，以及基本原因，包括远程重力测量，甚至是新的基本力量”。尽管物理学家的先进知识引起了卡西米尔力量的法律，但其在一些更复杂的情况下的影响仍然是最神秘的，直到最近。

定向依赖
当它通过真空以外的任何媒体行进时，光线将始终减慢。通过在某些材料中发生这种情况的程度通过命名为“折射率”的值 - 或材料内的光速与其在真空中的速度之间的比率。

正如苏联物理学家叶夫根尼·利夫希茨(Evgeny Lifshitz)首次指出的那样，当材料的折射率相对放置时，它们显著地改变了卡西米尔力的特性。另一个重要的认识是，为了确定卡西米尔力，我们必须通过求解麦克斯韦方程组来理解电磁场是如何在材料中传播的。

在不同方向传播的虚光波会对双折射材料表面施加不同的力。这就产生了一个“扭矩”，迫使两个物体旋转。

对于像窗玻璃这样的传统材料，折射率的值与它通过材料的方向无关。然而，对于一些具有更复杂分子结构的材料，定义其折射率并不是那么简单。例如，在“双折射”材料中，在不同方向传播的光波会被减慢到不同程度。

布罗尔博士描述道:“一些材料具有多重折射率，因为光的速度取决于它传播的方向。”“这种‘各向异性’物质最简单的例子是双折射材料，有两个折射率。”

由于速度的不同，在不同方向传播的虚光波将对双折射材料表面的不同部分施加不同的力。这就产生了一个“扭矩”，迫使两个物体旋转。布罗尔博士继续说道:“两个各向异性表面之间的卡西米尔相互作用产生了一个试图调整方向的扭矩。这被称为卡西米尔扭矩。”这些旋转为卡西米尔力增加了一个新的维度，比描述两个反射表面之间的简单吸引力要复杂得多。尽管如此，卡西米尔扭矩几乎不是一个新概念。

在实验室中重新创建卡西米尔扭矩
1978年，一个名叫Yuri Barash的俄罗斯物理学家通过理论计算预测了Casimir扭矩。他通过考虑两个对面的各向异性表面需要旋转以达到最小能量的位置来实现这一点。然而，在他发现后的几年里，物理学家们没有成功地展示了塔拉什在实验室的理论;最近仍然存在的情况。“在40年前，Barash衍生的双折射材料的第一种确切的表达，但它的第一个实验观察仅在2018年完成”伯勒博士们讲述。

在这项研究中，马里兰大学的一个研究小组首次使用液晶来量化卡西米尔扭矩。液晶是一种像液体一样流动的材料，但其分子仍以晶体结构的方向排列，可以很容易地重新排列。研究人员发现，当双折射液晶放置在固体双折射衬底附近时，其组成分子的方向由于卡西米尔扭矩而发生可测量的扭曲。然后，研究小组使用几种不同的材料重复了这个实验，使他们能够控制扭矩的强度和方向，以及它与两种材料之间的角度和它们之间的距离的关系。

预测van der Waals Torques
通过2016年出版的单独研究，斯洛文尼亚卢布尔雅那J. Stefan Institute的研究人员透露，由于对Casimir力的效果类似，名为Van der Waals互动，可能会出现类似的动态。它们由于各个分子内电子的运动而诱导颗粒内的小，短期电荷，在不同材料之间产生弱力。

研究人员使用由不同层组成的材料板观察到效果：一些各向同性，这意味着它们的折射率无论光明方向都保持相同，以及一些各向异性到不同程度的各向异性。虽然这种配置比Barash研究的那个更复杂，但它们通过近似光速为无限的光速来简化这种情况。它们还调整了层的厚度并以不同的角度布置了板坯。与马里兰州大学队一样，他们展示了一个明确的可调电话，他们的设置，提供了进一步证明了律师的计算的可靠性。
对卡西米尔扭矩的新理解

这些发现可能带来大量的技术应用，包括可由用户主动控制的纳米级设备。

尽管这些研究都取得了许多成功，但一个重要的问题仍然存在:在过去的几十年里，理论物理学家们在从零开始计算卡西米尔转矩时，一直在努力独立验证Barash的结果。这是一个问题，因为对于任何物理理论来说，这种独立的方法对于确认最初的理论是可靠的至关重要。布罗尔博士解释说:“多年来，理论和独立地复制Barash的表达被证明是困难的。”“已经出现了一些结果，但到目前为止，还不清楚这些结果是否与巴拉什的一致。”

在斯蒂芬研究所和马里兰大学的可靠观测的基础上，布罗尔博士和他的同事们打算从麦克斯韦方程——描述所有电磁波行为的通用数学——开始他们的最新研究，以解决这个问题。通过他们的创新计算，研究人员最终可以重现Barash的原始结果，使他们能够对不同情况下的卡西米尔扭矩做出高度精确的理论预测。

当诸如方解石的透明双折射晶体放在背景顶部时，可以看到理论可以描述的情况，使得从背景中的光线分成两个版本。根据其旋转，这种晶体可以是两个“模式”中的一种。在“普通”模式中，方解石的行为如常规各向同性玻璃，以及通过晶体行进的背景版本保持其方向。但是，如果方解石旋转，则将以“非凡”模式为单位，这意味着通过通过将旋转的版本相对于原始背景旋转。

布罗尔博士说:“我们用一种数学方法得出了卡西米尔扭矩的结果，这种数学方法决定了光在通过双折射介质时是如何分裂的。”“我们通过将这个大而复杂的问题分解成更小、更简单的问题，成功地证明了Barash的结果。”此外，该团队的方法可以推广到广泛的不同厚度和组成的各向异性材料，为研究开辟了令人兴奋的新机会。

应用程序和更复杂的情况
伯勒博士现在希望通过应用他的团队的理论方法，未来研究的研究人员将推动我们对卡西米尔扭矩底层的物理学的理解。“有了这个，我们希望在这些复杂的互动上揭示一些光。此外，我们使用的方法可以推广到更复杂的情况，例如具有三个折射率的双轴材料“，他得出结论。

这些发现可能带来大量的技术应用，包括可由用户主动控制的纳米级设备。这对于实现“微电子机械”系统尤其有用。微电子机械系统是一种智能设备，其中微小的机制和传感器被雕刻在硅基板上，并连接到电子元件上。最终，他的团队的发现代表了我们对卡西米尔扭矩理解的重大突破，并为困扰许多物理学家数十年的问题提供了期待已久的解决方案。