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(新聞稿内容部分節錄和翻譯自柏克萊加州大學新聞稿) 我們日常使用的機械系統好像齒輪和車輪等機械元件,因為元件間存有接觸面,在運作時會產生摩擦阻力出現損耗和效率降低的情況,因而需要持續更換和維修保養等牽涉龐大的開支。

磁浮列車系統,例如上海的磁浮列車和興建中的日本中央新幹綫,利用磁力的吸力和排斥力推動,懸浮在路軌上,在只有空氣阻力即近乎無阻力的狀態下運行,比傳統在路軌上行走的列車要快,但建造費用高昂、耗電量也高。


香港大學(港大)校長張翔教授在柏克萊加州大學擔任教授時帶領的科研團隊,利用量子力學理論中的凱西米爾效應,成功在實驗中展示了不需要外界輸入能量的量子陷阱,進而實現零阻力機械系統的嶄新方式。實驗成果早前在國際學術期刊《科學》刊登,最近更獲英國著名物理學雜誌《物理學世界》選為2019年度十大科學突破之一。 十大科學突破還包括人類史上第一張直接黑洞天文影像和谷歌量子電腦打敗常規超級電腦等。


「我們首次在理論上提出並通過實驗,證明在沒有輸入外來能量的情況下,利用凱西米爾效應的吸引力和排斥力的相互作用,把一個微小物體『困』著,達至一個平衡狀態,這是科學界首次成功實現由量子漲落而形成的“陷阱”,在理論和實驗層面都是重大突破。」張翔教授解釋說。


凱西米爾效應是根據量子力學中「真空不空」的理論,提出在即使沒有物質存在的真空中,仍有能量漲落,就像大海中的波濤一樣永不停息。


研究團隊把兩片抹上薄特氟龍(Teflon)塗層的金塊,以納米距離相隔放著,利用金和特氟龍兩種物質的不同折射率,調節當中的凱西米爾效應的吸引力和排斥力,最後成功形成形成一個量子陷阱,把中間一片薄薄的金片懸掛『困』著,達至一個平衡狀態。


實驗過程要求對當中微弱的力場之間的相互作用,作出極精準的量度,這在量子力學上是非常重要的成就,也讓科學家對凱西米爾效應如何影響微機械元件的運作,有更深入的認識。


實驗結果亦顯示,量子漲落產生的吸引力和排斥力,會因應不同物質和塗層的厚薄而改變,令『困』在中間的物體達至平衡狀態的距離亦有所不同,因而在應用上產生很多的可能性。研究成果對探索嶄新的無阻力機械系統,以及量子力學的應用研究有深遠影響,有助開發無需接觸面的納米機器人和超敏感力場探測器等。


《物理學世界》是全球最大物理學會之一的英國物理學會的會員刊物。入選的十大科研項目必須達到「在知識或認知上帶來重要躍進,並顯示出對於科學進步或實際應用的重要性」的標準。


柏克萊加州大學的新聞稿,原文請按此



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量子陷阱開啟零阻力系統之門 – 張翔教授團隊研究列2019年度十大科學突破之一

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