量子漲落，你的顯示器能不能“感應”到？科學頭條網

2019-01-09 08:18:00 X一MOL資訊

提到液晶，大部分人會想起液晶顯示器，甚至還可能知道它工作的原理是液晶分子能夠感應電場的變化。但大概很少人會想過，液晶分子還能“感應”量子漲落（quantum fluctuation）。

圖1. 比較簡單的液晶顯示器。圖片來源於網絡

量子物理學告訴我們，真空並不“空”，而是充滿了波動的電磁場，稱為量子漲落。由此，荷蘭物理學家Hendrik Casimir在1948年預測，真空中兩片不帶電的理想金屬板之間會出現吸引力，這個神奇的現象在後來被命名為“卡西米爾效應（Casimir effect）”。

儘管這個效應在48年後才被實驗驗證，但這並不影響理論研究的熱情。理論分析指出，這種效應可以存在於普通金屬和絕緣體；並且可以是吸引力，也可能是排斥作用。後來（1972年）人們又指出，當金屬板換成光學各向異性材料（最常見的比如方解石晶體）時，量子漲落還能產生扭矩。實際上卡西米爾效應的實驗測量嚴重落後於理論描述，主要原因是邊界材料的性質和形狀對結果影響很大，而且它非常小，難以測量。

同樣的，卡西米爾扭矩的測量也非常困難，至今仍然沒有在實驗上被準確的驗證。在近期的Nature

上，美國馬里蘭大學的Jeremy N. Munday等研究者巧妙使用液晶完成了卡西米爾扭矩的測量實驗。

通常想到光學各向異性材料，都是一些像方解石這樣的“固體”材料，而Munday等人卻想到了液晶。液晶材料的獨特在於，它們宏觀上可以像液體一樣任意改變形狀，但是其中的分子卻像晶體一樣有一定取向，因而在光學上也是各向異性的。大家都知道液晶是各種液晶顯示器的主要材料，這是因為液晶分子的排列取向即便對相當弱的外加電場也足夠敏感，而分子取向會改變偏振光透過液晶的能力，因而就可以通過改變電場來調控液晶的亮度，從而用於顯示器等器件。

圖2. 液晶顯示器原理。圖片來源於網絡

而實際上，液晶中分子的排列除電場之外的一些刺激也很敏感，例如環境溫度、材料表面的性質等等。Munday等人由此想到，卡西米爾扭矩是否也可以改變液晶分子的取向？如果可以，就可能通過偏振光在液晶中的穿透能力改變來分析力的大小。

於是他們設計了一個如下的裝置，包括幾個部分：1）光源和偏振片（讓入射光的偏振沿著光軸方向）；2）光學各向異性的晶體（作者用了包括方解石在內的四種不同的材料）；3）液晶（既作為光學各向異性材料產生卡西米爾扭矩，也是卡西米爾扭矩的作用對象）；4）偏振片和檢測器。過去的理論研究表明，卡西米爾扭矩和兩個光學各向異性材料的間距（下圖中的d）有關，其大小和距離平方成反比。因而在裝置中，作者控制液晶4-氰-4'-戊基聯苯（5CB）厚度為50微米，並且精細的調控了d

（在幾納米到幾十納米之間），研究卡西米爾扭矩的大小。