Study of the Casimir-Lifshitz force in the plane parallel geometry

• Autores: Victoria Esteso Carrizo
• Directores de la Tesis: Hernán Ruy Míguez García (dir. tes.), Sol Carretero Palacios (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2021
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 72
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen
  • español

    La fuerza de Casimir-Lifshitz (FC_L), originada por las fluctuaciones cuánticas del vacío, es especialmente intensa entre dos materiales cuando su separación está en la nanoescala. Esta fuerza puede ser atractiva o repulsiva en función de las propiedades ópticas de los materiales implicados, entre otros parámetros. Este fenómeno fundamental puede ponerse en práctica para controlar la adhesión, la fricción y la adherencia entre superficies en diferentes dispositivos nano y microelectromecánicos (NEMS y MEMS), que pueden dejar de funcionar correctamente debido a estos efectos. El trabajo presentado en esta tesis es un estudio teórico sobre la influencia de las propiedades ópticas de los materiales en la fuerza de Casimir- Lifshitz en la geometría plano-paralela. En particular, se investiga la posibilidad de controlar el fenómeno de levitación cuántica de películas delgadas autosoportadas a través de las propiedades ópticas de los materiales nanoestructurados. Dicha levitación resulta del equilibrio entre las fuerzas repulsivas de Casimir-Lifshitz, la gravedad y el empuje. En primer lugar, se presta atención a las combinaciones de materiales cuyas propiedades dieléctricas y densidades permiten la levitación cuántica. En particular, se exploran diversas disposiciones de dióxido de silicio, poliestireno, oro, silicio y glicerol. También se analiza el impacto de las variaciones de temperatura en torno a la temperatura ambiente sobre la distancia de equilibrio a la que levitan las películas delgadas. Se comprueba que la estabilidad de la levitación no se ve alterada por ligeras variaciones de temperatura. Además, la variación de la distancia de equilibrio depende tanto de las propiedades intrínsecas de los materiales como de la estabilidad de la levitación. En segundo lugar, se explora la posibilidad de crear nanocavidades o resonadores ópticos basados en películas levitantes bajo la influencia de las fuerzas repulsivas de Casimir-Lifshitz. Los resultados muestran que la distancia de equilibrio a nanoescala puede ajustarse con precisión en un intervalo de varios cientos de nanómetros con los espesores de los materiales. Además, se demuestra la importancia de contar con modos ópticos de alto factor Q en frecuencias visibles en resonadores ópticos basados en la levitación para la medición precisa de FC_L mediante técnicas espectroscópicas. Además, se muestra que, para las cavidades aquí consideradas, las variaciones de temperatura en torno a la temperatura ambiente apenas afectan a la distancia de equilibrio, pero su fuerte impacto en los espectros de reflectancia permite distinguir diferentes temperaturas. Finalmente, se inspecciona el efecto sobre FC_L al sustituir una de las placas por una estructura multicapa. Se examinan diferentes nanoestructuras estratificadas cuyas propiedades ópticas pueden ajustarse con precisión mediante sus parámetros geométricos. Cabe destacar que los dos materiales considerados en la estructura multicapa, dióxido de silicio y poliestireno, presentan FC_L repulsivos y atractivos, respectivamente, cuando se consideran como una única lámina homogénea. La combinación de estos materiales en la misma proporción, pero estratificados de forma diferente permite afinar la naturaleza de FC_L de repulsiva a atractiva. Es importante destacar que la fuerza de Casimir-Lifshitz puede ser anulada por el mismo medio, con implicaciones esenciales en el desarrollo de nanodispositivos. Esta tesis propone novedosos diseños de materiales ópticos que proporcionan una visión de la física fundamental subyacente de la interacción de Casimir-Lifshitz, con potenciales aplicaciones en nanotecnología.

  • English

    The Casimir-Lifshitz force (FC_L), originated from the quantum fluctuations of vacuum, is especially intense between two materials when their separation is at the nanoscale. This force can be attractive or repulsive depending on the optical properties of the materials involved, amongst other parameters. This fundamental phenomenon can be put into practice to control the adhesion, friction and stiction between surfaces in different nano- and microelectromechanical devices (NEMS and MEMS), that may stop working properly due to those effects. The work presented in this thesis is a theoretical study about the influence of the optical properties of materials on the Casimir-Lifshitz force in the plane-parallel geometry. Particularly, the possibility of controlling the quantum levitation phenomenon of self-standing thin films through the optical properties of nanostructured materials is investigated. Such levitation results from the balance between repulsive Casimir-Lifshitz forces, gravity, and buoyancy. Firstly, attention is paid to combinations of materials whose dielectric properties and densities allow quantum levitation. In particular, diverse arrangements of silicon dioxide, polystyrene, gold, silicon, and glycerol, are explored. Also, the impact of temperature variations around room temperature on the equilibrium distance at which thin films levitate is analyzed. It is found that the stability of levitation is not altered by slight variations of temperature. In addition, the equilibrium distance variation depends on both the intrinsic properties of materials and the stability of the levitation. Secondly, the possibility of creating optical nanocavities or resonators based on levitating films under the influence of repulsive Casimir-Lifshitz forces is explored. Results show that the nanoscale equilibrium distance can be finely tuned within an interval of several hundreds of nanometers with the materials thicknesses. Moreover, it is demonstrated the importance of having high Q-factor optical modes at visible frequencies in levitation-based optical resonators for the precise measurement of FC_L by means of spectroscopic techniques. In addition, it is shown that, for the cavities here considered, temperature variations around room temperature hardly affect the equilibrium distance, but their strong impact on the reflectance spectra allows to distinguish different temperatures. Finally, the effect on FC_L by substituting one of the plates by a multilayered structure is inspected. Different stratified nanostructures whose optical properties can be finely tuned through their geometrical parameters are examined. Importantly, the two materials considered in the multilayer structure, silicon dioxide and polystyrene, present repulsive and attractive FC_L, respectively, when considered as a unique homogeneous slab. Combination of those materials in the same proportion but stratified differently allows tuning the nature of FC_L from repulsive to attractive. Importantly, the Casimir-Lifshitz force can be cancelled by the same means, with essential implications in the development of nanodevices. This thesis proposes novel optical material designs that provide insight into the underlying fundamental physics of the Casimir-Lifshitz interaction, with potential applications in nanotechnology.