Casimir effect and van der Waals forces in multilayer systems

Kvanteelektrodynamiske fluktuasjonskrefter som generaliserer den fundamentale kraft forutsagt av Hendrik B. G. Casimir i 1948, har gradvis fått en sentral posisjon i forståelsen av de såkalte mesoskopiske kreftene mellom overflater, såvel som mellom molekyler og overflater. Teorien for Casimir-kreftene mellom dielektriske medier, ofte kalt Casimir-Lifshitz krefter, såvel som de nær beslektede Casimir-Polder kreftene, er en videreutvikling av de klassiske og velkjente van der Waals kreftene som er dominante ved små avstander. Prosjektet besto grovt sett av 2(3) deler: én praktisk del som studererte bl.a. klimagassene CO2 og CH4 i smeltende is og vann, effektive polarisasjonsmodeller for gasser i fluider, og nanoskala svitsjing i kvantemekanisk levitasjon indusert av faseovergang i tinn. Dernest var det en mer fundamental del av prosjektet (den opprinnelige Casimireffekt): Casimirkraft på dielektriske kuler, repulsive Casimir-krefter, og negative entropi-aspekter relatert til Casimireffekten. Et tredje delområde var innflytelse av Casimireffekten i kosmologisk sammenheng. Vi har i prosjektperioden publisert 45 artikler i vitenskapelige journaler (med referee-ordning), og har holdt ca 35 foredrag på diverse workshops og konferanser i Europa. I perioden 11.-16. juni 2018 arrangerte vi ved NTNU "Summer school and Workshop on the Casimir Effect: Theory and Applications", med ca 45 deltagere, hvorav omtrent halvparten var PhD studenter. Vi fikk økonomisk støtte også fra "Julian Schwinger Foundation", USA, som ble benyttet til invitasjon av PhD studenter fra fjerntliggende land som Sør-Amerika og USA. Vårt prosjekt var i utpreget grad internasjonalt orientert. Bl.a. gjorde sommerskolen sitt til at vi fikk etablert nye kontakter og samarbeidsprosjekter.

Hoved-delen av forskningsrabeidet har ligget innenfor de praktiske aspektene av Casimireffekten, som angitt i søknaden. Det betyr anvendelse av Lifshitz formalismen og "density functional theory" i komplekse systemer. Anvendelsespotensialet ligger blant annet i forståelse av CH4 innfangning og CO2 lagring. Vi har skrevet en rekke artikler om emnet, i samarbeid med våre internasjonale partnere. Det bør spesielt nevnes artikkelen Distance-dependent sign reversal in the Casimir-Lifshitz torque", av P. Thiyam et al., Phys. Rev. Lett. 120, 131601 (2018). Manipulering av Casimirkraften, i særdeleshet dens retning, er noe som har stor interesse i forbindelse med MEMS/NEMS. I tillegg til de anvendte aspektene har vi også sett på grunnlaget for Casimir teorien, i dielektriske materialer (denne QED retningen var Casimirs eget utgangspunkt i 1948). Disse arbeidene er blitt gjort delvis i samarbeid med K. A. Milton og hans gruppe i Oklahoma.

Quantum electrodynamic fluctuation forces, which generalize the idealized force predicted by Casimir in 1948, have moved to an ever more central position in our understanding of mesoscopic forces between surfaces and between molecules and surfaces. Casimir-Lifshitz and Casimir-Polder forces generalize and transform the notion of van der Waals forces. Advances in experimental technique and development of new theoretical tools have enabled this transformation. There remain highly controversial issues to be resolved, such as the nature of thermal corrections, the form of Casimir friction, and whether it is realistic to achieve Casimir repulsion and levitation. The driver, however, is the potential applications of these phenomena to physical systems. Here, we want to link developments in theory to what is needed in practical situations, such as the interaction of molecular gases with oil shale. The project will be carried out and completed at the Department of Energy and Process Engineering, Norwegian University of Science and Technology (NTNU) together with researchers from the Centre for Materials Science and Nanotechnology at the University of Oslo (UiO). Joint subprojects with the co-applicants from the USA, Germany, Brazil, Sweden and Australia will involve short and long-term research visits. We will also arrange a combined summer school and workshop at NTNU during 2018. Two postdocs and one researcher (1/2 position) will be hired, and visiting researchers will be supported by the grant. Collaboration via the internet will facilitate progress and coordination of research activities. Strong interaction with our research partners and collaborators will facilitate rapid progress in research and serve for networking, exchanging knowledge, and scientific visibility. Long-term international research visits by the postdoc and researchers will increase scientific productivity and strengthen the collaborations.