Casimir effect at finite density

有限密度におけるカシミール効果

藤井 大輔; 中山 勝政*; 鈴木 渓   

Fujii, Daisuke; Nakayama, Katsumasa*; Suzuki, Kei

本講演では、有限の化学ポテンシャル、特に、有限密度系の量子場から誘起されるカシミール効果について議論する。有限温度系のカシミール効果には長い歴史があり、実験による検証も含めて一定の理解が得られているが、有限密度系のカシミール効果についての先行研究は非常に少ない。これは、平衡状態として光子場の化学ポテンシャルを実験的に制御することが困難なためである。一方、フェルミオン系に着目したとき、フェルミオンの化学ポテンシャルは実験で比較的制御可能なパラメータであり、カシミール効果の性質を制御するのに役立つことが期待される。さらに、有限密度フェルミオン系で実現する多彩な量子多体現象は、カシミール効果の典型的な性質を劇的に変化させる可能性がある。本研究では、有限密度のディラック場から誘起されるカシミール効果を定式化し、カシミール効果に起因する物理量が境界条件間の距離や化学ポテンシャルの関数として振動することなどを示す。このような「有限密度カシミール効果」が現れる物理系の例として、ディラック半金属薄膜や高密度クォーク物質が平たく広がった状態への応用について議論する。

In this talk, I discuss the general features of the Casimir effect induced from quantum fields at finite chemical potential, particularly at finite density. Historically, the thermal Casimir effect has been well-established by the cooperation between theory and experiment, whereas its counterpart at finite chemical potential is still not. This is because it is usually difficult to control the chemical potential of photons in equilibrium experimentally. On the other hand, if one focuses on fermionic systems, their chemical potentials may be a tunable parameter for the Casimir effect. In addition, various quantum many-body phenomena realized at finite fermion density can modify the typical property of the Casimir effect. Within some theoretical frameworks, we evaluate the Casimir energy for Dirac fields at finite density and particularly show an oscillatory behavior as a function of the separation of boundary conditions or the chemical potential. As physical and realistic examples of the Casimir effect at finite chemical potential, I discuss applications to fermion fields inside thin dense quark matter in hadron physics and to Dirac/Weyl semimetal thin films in solid-state physics. Such materials will be platforms to examine the fermionic Casimir effect at finite chemical potential.