真空と物質、「無」と「有」が織りなすエネルギーを統一する公式を発見~極小デバイス開発につながる薄膜状物質内部の基礎原理を解明~

2025-08-29 日本原子力研究開発機構,理化学研究所

日本原子力研究開発機構と理化学研究所の共同研究グループは、真空から生じる圧力(通常のカシミール効果)、熱による圧力、さらに物質そのものが発生させる圧力を統一的に記述できる新しい公式を発見しました。従来のリフシッツ公式を拡張し、電子やクォークといったフェルミ粒子からなる薄膜状物質に適用したところ、膜の厚さによって引力と斥力が交互に現れる現象を理論的に予言。この現象はフェルミ海の寄与による新しい効果で、制御可能な引力・斥力の切り替えを実現できると期待されます。カシミール効果は微小デバイス(MEMS)の精密制御に利用が検討されてきましたが、本成果は斥力を含めた力学制御を可能にし、極小圧力センサーや変換素子など量子技術デバイスの新しい設計原理を提供します。本成果は学術誌 Physics Letters B に2025年9月号として掲載されました。

真空と物質、「無」と「有」が織りなすエネルギーを統一する公式を発見~極小デバイス開発につながる薄膜状物質内部の基礎原理を解明~
図1 本研究の公式により統一された3種類の圧力

<関連情報>

有限密度カシミール効果のリフシッツ公式 Lifshitz formulas for finite-density Casimir effect

Daisuke Fujii, Katsumasa Nakayama, Kei Suzuki
Physics Letters B  Available online: 24 July 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.physletb.2025.139758

Abstract

The Lifshitz formula is well known as a theoretical approach to investigate the Casimir effect at finite temperature. In this Letter, we generalize the Lifshitz formula to the Casimir effect originating from quantum fields at finite chemical potential. To demonstrate the versatility of this formula, we discuss the typical phenomena of the Casimir effect at finite chemical potential in various systems, such as some boundary conditions, finite temperatures, arbitrary spatial dimensions, and mismatched chemical potentials. This formula can be applied to the Casimir effect in dense quark matter and Dirac/Weyl semimetals, where the chemical potential is regarded as a parameter to control the Casimir effect.

1701物理及び化学
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