Введение к работе
Актуальность темы. Эффект Казимира представляет собой макроскопическое следствие явления поляризации физического вакуума при наличии определенных внешних материальных условий Это одно из немногих проявлений сложной микроскопической структуры физической) вакуума на протяжении полувека привлекает к себе интерес многих исследовательских групп, работающих в области квантовой теории поля и областях смежных с ней С момента открытия [1], изучению эффекта Казимира было посвящено множество теоретических и экспериментальных работ (наиболее полную библиографию можно найти в [2-6])
Одним из ярких достижений теории эффекта Казимира является развитие и разработка новых квантово-полевых методов вычисления эффективного потенциала представление собственного времени Фока-Швингера, метод мировой линии, метод вариации энергии, метод тензора натяжения, метод суммирования по модам Вместе с математическим формализмом развивается область приложений эффекта Казимира. Она простирается от статистической физики до космологии и теории элементарных частиц Особое место в этом ряду занимает физика конденсированных сред и, в частности, физика металлических пленок
Изучение макроскопического взаимодействия незаряженных конденсированных сред, предпринятое в 1948 г Казимиром и продолженное впоследствии Е М Лифшицем [7], главным образом было ограничено рассмотрением только полубесконечных плоскопараллельных пластин Между тем, представляет особый интерес исследование казимировского взаимодействия двумерных и квазидвумерных систем Можно сказать, что исключительное место в этом классе систем занимают тонкие металлические и полуметаллические пленки Дело в том, что из-за большой концентрации свободных электронов в казимировском взаимодействии металлон проявляется сильное экранирование флуктуационного электромагнитного поля В результате, на больших расстояниях сила Казимира не зависит от материальных параметров взаимодействующих тел В отличие от массивных металлов, отражательная способность тонких металлических пленок может быть незначительной В соответствии с этим, в казимировском взаимодействии металлических пленок можно реализовать условия, при выполнении которых сила Казимира на больших расстояниях становится чувствительной к материальным параметрам
До настоящего времени проблема казимировского взаимодействия тонких металлических пленок практически не изучалась В то же время, в свете результатов недавних экспериментальных работ [8-11] ее решение становится особенно актуальным Прецизионное измерение силы Казимира с точностью, большей чем 1 %, обещает стать принципиально новым методом экспериментального изучения материальных характеристик металлических пленок Теоретическому исследованию этого вопроса и посвящается данная диссертация
Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнена в отделе теоретической физики Института радиофизики и электроники им А Я Усикова НАН Украины Исследования, которые составили содержание диссертации, проведены в соответствии с государственной научно-исследовательской программой «Электромагнитные и акустические явления НВЧ-диапазона в твердотельных структурах»
(Президиум HAH Украины, шифр «Кентавр-1», номер госрегистрации 01 96 И006109,1996 - 2000 гг)
Цель и основные задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в теоретическом выявлении особенностей казимировского притяжения тонких металлических пленок Важной задачей исследования является установление зависимости силы Казимира от таких параметров задачи, как толщина пленок, плазменная частота, частота объемной и поверхностной электронной релаксации, температура и др
Объектом исследования является сила Казимира, которая возникает между конденсированными средами вследствие электромагнитного взаимодействия флуктуационных токов Казимировское взаимодействие тонких металлических пленок составляет предмет исследования данной диссертации Метод исследования состоит в получении дисперсионных уравнений для собственных частот системы двух металлических пленок путем решения уравнений Максвелла, выяснении условий, при которых электронные свойства металлических пленок проявляются в силе Казимира в главном приближении, аналитическом расчёте силы Казимира в функции толщины пленок, плазменной частоты, частот объемной и поверхностной электронной релаксации и температуры
Научная новизна полученных результатов. В диссертационной работе было впервые
Теоретически исследовано влияние электронных свойств тонких металлических пленок на силу их казимировского притяжения,
В пределе низких температур получено замкнутое аналитическое выражение для силы Казимира в функции толщины пленок, расстояния между ними и глубины скин-слоя Для характерных частот флуктуационных электромагнитных полей найден режим, эквивалентный инфракрасному скин-эффекту, особенность которого состоит в дробностепенной зависимости силы Казимира от расстояния,
Предсказана зависимость силы казимировского притяжения тонкой металлической пленки от значения параметра зеркальности, характеризующего взаимодействие электронов проводимости с поверхностью пленки,
Изучено влияние диэлектрической подложки на силу Казимира между массивным проводником и тонкой металлической пленкой Для параметра оптической плотности диэлектрической подложки найдено условие, при выполнении которого электронные свойства пленки выступают в силе Казимира на первый план,
Теоретически исследована функциональная зависимость силы Казимира от температуры Показано, что для достаточно тонких металлических пленок (или при достаточно высоких температурах) сила Казимира имеет преимущественно энтропийное происхождение и в главном приближении не зависит от толщины пленки
Сформулированные положения выносятся на защиту
Практическое значение полученных результатов. Результаты диссертационной работы демонстрируют принципиальную возможность экспериментального изучения электронных и поверхностных свойств металлических пленок с помощью измерения силы их казимировского притяжения Использование техник "крутящегося маятника" (torsion pendulum technique) и "микроскопа атомной силы" (atomic force microscopy technique) при прецизионном измерении силы
Казимира между пленкой металла и массивным проводником может стать принципиально новым инструментом для исследования материальных характеристик металлических пленок
Личный вклад соискателя. Результаты диссертации опубликованы в статьях [1-5] и тезисах докладов [6-8] Личный вклад соискателя в выполненные по теме диссертации научные работы состоял в участии в постановке конкретных задач, в проведении всех основных вычислений, в обсуждении полученных результатов и формулировке выводов
Апробация результатов диссертации. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на 22-й международной конференции по физике низких температур (LT-22) (Helsinki, Finland, 1999), 32 Всероссийском совещании по физике низких температур (НТ-32) (Казань, 2000), 3-й международной конференции "Физические явления в твердых телах", посвященной 80-летию проф ИМ Лифшица (Харьков, 1997), международном семинаре "Физика и техника низких температур", посвященном памяти проф Б И Веркина (Харьков, 1999), объединенных семинарах отделов физики твердого тела и теоретической физики ИРЭ ПАН Украины, теоретическом семинаре имени проф Э А Канера (ИРЭ), семинаре по физике сверхпроводников (ХНУ)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ Из них 5 статей в специализированных национальных и международных научных журналах и 3 тезиса докладов в сборниках трудов научных конференций
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключительного раздела "рыводы", трех приложений и списка использованных источников из 145 наименований Работа изложена на 131 странице машинописного текста и содержит 5 иллюстраций, которые не занимают отдельных страниц
