2015 Fiscal Year Research-status Report
量子電磁気力を利用したマイクロメカニズムの固着防止
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25390117
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
乾 徳夫 兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70275311)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | カシミール力 / カシミール効果 / 量子電磁気学 / 浮揚 / ナノ粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子効果は通常，原子や分子といったミクロなスケールのみで表れると考えられがちであるが，マクロなスケールでも起きうる．超伝導はその一例であるが現在のところ低温でしか発現しない．本研究はマクロなスケールでかつ常温でも生じるカシミール効果を利用して物体を浮揚させ物体間の接触を防ぐことを目的としている．カシミール効果で生じるカシミール力は量子電磁気的な力であり，物体の誘電率に強く依存する．多くの場合，カシミール力は引力であるが，物質の組み合わせを工夫することにより斥力にすることができ，物体の浮揚に利用できる．本研究では水と空気の界面に注目して進めてきた．懸垂した水滴内に金粒子を分散させると，誘電率の大小関係が大きいもの順に金，水，空気となりカシミール力が斥力となる条件が満たされる．これにより，金粒子は水空気界面の近くに浮揚しブラウン運動をすることが予想される．今回このブラウン運動を金粒子の質量推定に応用した．懸垂した液滴は半球になっており，金粒子は半球に最下端に捕獲され，水と空気の界面近くをブラウン運動する．金粒子にはカシミール斥力以外に重力が作用しているため，垂直方向の変位量は粒子の質量に反比例することになる．その変位量は極めて小さいため光学顕微鏡での観測は困難であるが，球面上に捕獲されているため，微小な垂直変位が拡大されて大きな水平方向の変位として観測できる．この効果を利用して直径0.6ミクロンメートルの質量をおよそ１０パーセントの不確かさで測定することができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
カシミール斥力を物体の浮揚に利用するには物体の組み合わせが重要である．本研究を開始した時点ではメタマテリアルのような特異な物質が必要であると考えていたが，気液界面を用いるとほとんどすべての物質に対してカシミール力を斥力にすることが見いだされた．空気の誘電率は極めて小さいため，誘電率の大小関係が浮揚物体，液体，空気の順に大きくなり，カシミール斥力を発生させるのに必要な条件を満足するからである．ただし，カシミール斥力の発生が直ちに物体の浮揚に結び付く訳ではない．カシミール斥力が重力より十分大きくなる必要がある．その確認にはカシミール斥力の理論的な理解が不可欠である．カシミール力は電磁場のゼロ点ネルギーの変化として計算されるが，あらゆる振動数の電磁場が力に関与するため計算が複雑である．本研究では近年開発された計算手法を利用して，微小粒子に作用するカシミール力を計算し，重力を凌駕するカシミール斥力が発生し得ることを明らかにした．また，実際に水空気界面で浮揚する金粒子の観察も行うことができため，ほぼ順調に進展していると考えている．しかし，研究実績の概要でも述べたように，浮揚物体の質量測定という応用を見出しため，一部計画を変更しその技術の完成を目指している．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により気液界面上で微小物体を浮揚できる可能性を見出した．そこで，特に問題となるが，熱揺らぎとカシミール斥力以外の力が及ぼす影響である．液滴内では液体に分子が常に浮揚物体に衝突し，その結果ブラウン運動と呼ばれるランダムな運動を生じる．これは安定した浮揚を阻害する一方，先に述べた質量推定に必要な揺動力にもなっている．これらの理解のため，水空気界面に浮揚する物体の観測を引き続き行う．また，極性液体やイオンを含む液体を利用した場合，電気二重層の形成に伴う静電気力が発生する．この力の計測と浮揚に及ぼす影響を検討する．
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| Causes of Carryover |
カシミール斥力に物体を浮揚させることを目標に研究を進めてきた結果，気液界面が有望であることを見出した．液中に物体を浮揚させる場合，カシミール力以外に電気二重層の発生に伴う静電気力が発生する．この力は斥力にも引力にもなりうる．したがって，カシミール斥力が重力および電気二重層力の合力を上回ることを示す必要があり，そのため実験費用として繰り越しを行った．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
液中の二重層に伴う力を調べるために水中に二つの金粒子を捕獲・観測する実験費用として用いる．粒子はそれぞれブラウン運動をするがその軌跡を追跡し粒子間の平均間隔を調べる．相互作用力が斥力で大きいほど，平均間距離が大きくなる．よって，理論と平均間隔を比較することにより電気二重層を特徴づけるパラメータで重要なデバイ長を決定する．加えて，カシミール力によるＭＥＭＳの固着を研究する費用として用いる．特にグラフェン共振器に作用するカシミール効果について調べる．以上の結果を論文としてまとめ，また国際会議でも発表するに必要な経費としても使用する．
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