dc.contributor.advisor | Míguez García, Hernán Ruy | es |
dc.contributor.advisor | Carretero Palacios, Sol | es |
dc.creator | Esteso Carrizo, Victoria | es |
dc.date.accessioned | 2021-08-05T10:24:22Z | |
dc.date.available | 2021-08-05T10:24:22Z | |
dc.date.issued | 2021 | |
dc.identifier.citation | Esteso Carrizo, V. (2021). Study of the Casimir-Lifshitz force in the plane-parallel geometry. (Tesis Doctoral Inédita). Universidad de Sevilla, Sevilla. | |
dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/11441/116613 | |
dc.description.abstract | 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. | es |
dc.description.abstract | 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. | es |
dc.format | application/pdf | es |
dc.format.extent | 72 p. | es |
dc.language.iso | eng | es |
dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional | * |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | * |
dc.title | Study of the Casimir-Lifshitz force in the plane parallel geometry | es |
dc.title.alternative | Estudio de la fuerza de Casimir-Lifshitz en la geometría plano-paralela | es |
dc.type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis | es |
dcterms.identifier | https://ror.org/03yxnpp24 | |
dc.type.version | info:eu-repo/semantics/publishedVersion | es |
dc.rights.accessRights | info:eu-repo/semantics/openAccess | es |
dc.contributor.affiliation | Universidad de Sevilla. Departamento de Química orgánica | es |
dc.publication.endPage | 65 | es |