journal article·2025Open access

Quantum and critical Casimir effects: bridging fluctuation physics and nanotechnology

Roberto Passante, Lucia Rizzuto, Peter Schall, Emanuele Marino

Nanoscale· Volume 17· Issue 23

Abstract

Fluctuation-induced forces, primarily represented by quantum and critical Casimir effects, play a pivotal role at the nanoscale. This review explores the theoretical and experimental landscapes of these forces, offering a comprehensive analysis of their similarities and distinctions. We emphasize the effects of material properties, geometry, and temperature in shaping these forces and their roles in various nanoscale systems, both colloidal and solid-state. We devote special attention to the Casimir torque, the influence of magnetism on the Casimir force, and the use of Casimir effects for the generation of optical resonators. Through this comparative study, we elucidate the underlying physics of these phenomena, fostering insights that advance applications in nanomechanics, optomechanics, and quantum technologies.
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Research context

OpenAlex topics: Quantum Electrodynamics and Casimir Effect · Mechanical and Optical Resonators

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Physics and Chemistry – Emilio Segrè, University of Palermo, Via Archirafi 36, 90123 Palermo, PA, Italy

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali del Sud, I-95123 Catania, Italy

Van der Waals-Zeeman Institute of Physics, University of Amsterdam, Science Park 904, 1098XH Amsterdam, The Netherlands

Funding

NextGenerationEU

References (100+)

Show source-provided references
1. Callen · Phys. Rev. · 1951 · 83 · 3410.1103/PhysRev.83.34 ↗
2. F.Intravaia , C.Henkel and M.Antezza , Casimir Physics , Springer , Berlin , 2011 , vol. 834 , pp. 345–39110.1007/978-3-642-20288-9_11 ↗
3. Casimir · Proc. K. Ned. Akad. Wet. · 1948 · 51 · 793
4. Bimonte · Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. · 2022 · 72 · 9310.1146/annurev-nucl-111119-012402 ↗
5. M.Bordag , G. L.Klimchitskaya , U.Mohideen and V. M.Mostepanenko , Advances in the Casimir Effect , Oxford University Press , Oxford , 200910.1093/acprof:oso/9780199238743.001.0001 ↗
6. Klimchitskaya · Rev. Mod. Phys. · 2009 · 81 · 182710.1103/RevModPhys.81.1827 ↗
7. Brevik · J. Phys. Commun. · 2022 · 6 · 01500510.1088/2399-6528/ac499f ↗
8. Fisher · C. R. Acad. Sci., Paris B · 1978 · 287 · 207
9. Gambassi · J. Phys.: Conf. Ser. · 2009 · 161 · 012037
10. Dantchev · Phys. Rep. · 2023 · 1005 · 110.1016/j.physrep.2022.12.004 ↗
11. Dantchev · Entropy · 2024 · 26 · 110.3390/e26060499 ↗
12. Lamoreaux · Phys. Rev. Lett. · 1997 · 78 · 510.1103/PhysRevLett.78.5 ↗
13. Munday · Nature · 2009 · 457 · 17010.1038/nature07610 ↗
14. Antezza · Phys. Rev. Lett. · 2020 · 124 · 01390310.1103/PhysRevLett.124.013903 ↗
15. Somers · Nature · 2018 · 564 · 38610.1038/s41586-018-0777-8 ↗
16. Ahn · Nat. Nanotechnol. · 2020 · 15 · 8910.1038/s41565-019-0605-9 ↗
17. Woods · Rev. Mod. Phys. · 2016 · 88 · 04500310.1103/RevModPhys.88.045003 ↗
18. Stange · Phys. Today · 2021 · 74 · 4210.1063/PT.3.4656 ↗
19. Xu · Nat. Nanotechnol. · 2022 · 17 · 14810.1038/s41565-021-01026-8 ↗
20. Xu · Nat. Commun. · 2022 · 13 · 614810.1038/s41467-022-33915-4 ↗
21. Lifshitz · J. Exp. Theor. Phys. · 1956 · 2 · 73
22. Zhao · Science · 2019 · 364 · 98410.1126/science.aax0916 ↗
23. Eberlein · Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys. · 2011 · 83 · 05251410.1103/PhysRevA.83.052514 ↗
24. Zhang · Nat. Phys. · 2024 · 20 · 128210.1038/s41567-024-02521-0 ↗
25. Schmidt · Nat. Phys. · 2023 · 19 · 271
26. Present · Contemp. Phys. · 1971 · 12 · 59510.1080/00107517108205662 ↗
27. Jeyar · Phys. Rev. A · 2023 · 108 · 06281110.1103/PhysRevA.108.062811 ↗
28. Passante · J. Mod. Opt. · 2005 · 52 · 195710.1080/09500340500106733 ↗
29. Fuchs · Phys. Rev. Lett. · 2018 · 121 · 08360310.1103/PhysRevLett.121.083603 ↗
30. Milton · Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys. · 2015 · 91 · 04251010.1103/PhysRevA.91.042510 ↗
31. Callegari · Nat. Commun. · 2016 · 7 · 1140310.1038/ncomms11403 ↗
32. E. M. L. L. D.Landau and L. P.Pitaevskii , Electrodynamics of Continous Media , Elsevier , 1984
33. P.Milonni , The Quantum Vacuum , Elsevier , 1994
34. Woods · Rev. Mod. Phys. · 2016 · 88 · 04500310.1103/RevModPhys.88.045003 ↗
35. Klimchitskaya · Phys. Rev. D · 2021 · 103 · 09600710.1103/PhysRevD.103.096007 ↗
36. Intravaia · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 251510.1038/ncomms3515 ↗
37. S. G.Johnson , in Numerical Methods for Computing Casimir Interactions , ed. D. Dalvit , P. Milonni , D. Roberts and F. da Rosa , Springer Berlin Heidelberg , Berlin, Heidelberg , 2011 , pp. 175–218
38. V. A.Parsegian , van der Waals Forces: A Handbook for Biologists, Chemists, Engineers, and Physicists , Cambridge University Press , Cambridge , 200510.1017/CBO9780511614606 ↗
39. Hertlein · Nature · 2008 · 451 · 17210.1038/nature06443 ↗
40. Prieve · Adv. Colloid Interface Sci. · 1999 · 82 · 9310.1016/S0001-8686(99)00012-3 ↗
41. Bonn · Phys. Rev. Lett. · 2009 · 103 · 15610110.1103/PhysRevLett.103.156101 ↗
42. Nguyen · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 158410.1038/ncomms2597 ↗
43. Law · Prog. Surf. Sci. · 2001 · 66 · 15910.1016/S0079-6816(00)00025-3 ↗
44. Marhold · Thermochim. Acta · 1998 · 321 · 12710.1016/S0040-6031(98)00451-1 ↗
45. Cox · J. Chem. Soc. · 1952 · 460610.1039/jr9520004606 ↗
46. Stuij · Soft Matter · 2017 · 13 · 523310.1039/C7SM00599G ↗
47. Guo · Phys. Rev. Lett. · 2008 · 100 · 18830310.1103/PhysRevLett.100.188303 ↗
48. Kennedy · J. Phys.: Condens. Matter · 2022 · 34 · 214005
49. Rouwhorst · Nat. Commun. · 2020 · 11 · 355810.1038/s41467-020-17353-8 ↗
50. Swinkels · Phys. Rev. Lett. · 2024 · 132 · 07820310.1103/PhysRevLett.132.078203 ↗
51. Shelke · Adv. Mater. · 2013 · 25 · 149910.1002/adma.201204458 ↗
52. Swinkels · Nat. Commun. · 2021 · 12 · 281010.1038/s41467-021-23144-6 ↗
53. Stuij · Phys. Rev. Lett. · 2021 · 127 · 10800110.1103/PhysRevLett.127.108001 ↗
54. Wang · Nat. Commun. · 2024 · 15 · 508610.1038/s41467-024-49220-1 ↗
55. Vasilyev · Phys. Rev. E · 2013 · 88 · 01213710.1103/PhysRevE.88.012137 ↗
56. Labbé-Laurent · Soft Matter · 2014 · 10 · 227010.1039/C3SM52858H ↗
57. Magazzù · Soft Matter · 2019 · 15 · 215210.1039/C8SM01376D ↗
58. Mattos · Phys. Rev. E · 2015 · 91 · 04230410.1103/PhysRevE.91.042304 ↗
59. Mattos · J. Chem. Phys. · 2013 · 138 · 07470410.1063/1.4791554 ↗
60. Mohry · J. Chem. Phys. · 2012 · 136 · 22490210.1063/1.4722883 ↗
61. Maciołek · Rev. Mod. Phys. · 2018 · 90 · 04500110.1103/RevModPhys.90.045001 ↗
62. Soyka · Phys. Rev. Lett. · 2008 · 101 · 20830110.1103/PhysRevLett.101.208301 ↗
63. Boyer · Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys. · 1974 · 9 · 207810.1103/PhysRevA.9.2078 ↗
64. Brevik · Phys. Rev. A · 2018 · 98 · 03250910.1103/PhysRevA.98.032509 ↗
65. Marino · Sol. Energy Mater. Sol. Cells · 2016 · 158 · 15410.1016/j.solmat.2016.01.016 ↗
66. Nguyen · J. Phys.: Condens. Matter · 2016 · 28 · 043001
67. Marino · J. Phys. Chem. C · 2019 · 123 · 1345110.1021/acs.jpcc.9b02033 ↗
68. Marino · Nanoscale Horiz. · 2021 · 6 · 75110.1039/D0NH00670J ↗
69. Vasilyev · Nanoscale · 2021 · 13 · 647510.1039/D0NR09076J ↗
70. Herzig · Nat. Mater. · 2007 · 6 · 96610.1038/nmat2055 ↗
71. Di Vitantonio · Appl. Phys. Rev. · 2021 · 8 · 02132310.1063/5.0048797 ↗
72. Zhou · J. Colloid Interface Sci. · 2024 · 662 · 47110.1016/j.jcis.2024.02.070 ↗
73. Barton · Nature · 1984 · 311 · 33610.1038/311336a0 ↗
74. Barton · Ann. Phys. · 1985 · 162 · 23110.1016/0003-4916(85)90162-9 ↗
75. Plunien · Phys. Rep. · 1986 · 134 · 8710.1016/0370-1573(86)90020-7 ↗
76. Farina · Braz. J. Phys. · 2006 · 36 · 113710.1590/S0103-97332006000700006 ↗
77. Parsegian · J. Adhes. · 1972 · 3 · 25910.1080/00218467208072197 ↗
78. Barash · Radiophys. Quantum Electron. · 1978 · 21 · 113810.1007/BF02121382 ↗
79. Küçüköz · Sci. Adv. · 2024 · 10 · eadn182510.1126/sciadv.adn1825 ↗
80. Derjaguin · Q. Rev., Chem. Soc. · 1956 · 10 · 29510.1039/qr9561000295 ↗
81. Reid · IEEE Trans. Antennas Propag. · 2015 · 63 · 358810.1109/TAP.2015.2438393 ↗
82. Chan · Science · 2001 · 291 · 194110.1126/science.1057984 ↗
83. Tang · Nat. Photonics · 2017 · 11 · 9710.1038/nphoton.2016.254 ↗
84. Babar · Nature · 2023 · 624 · 5710.1038/s41586-023-06736-8 ↗
85. Munkhbat · Nature · 2021 · 597 · 21410.1038/s41586-021-03826-3 ↗
86. Thirunamachandran · Mol. Phys. · 1980 · 40 · 39310.1080/00268978000101561 ↗
87. Milonni · Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys. · 1996 · 53 · 348410.1103/PhysRevA.53.3484 ↗
88. Sherkunov · J. Phys.: Conf. Ser. · 2009 · 161 · 012041
89. Fiscelli · Phys. Rev. Lett. · 2020 · 124 · 01360410.1103/PhysRevLett.124.013604 ↗
90. Jakubec · Phys. Rev. A · 2024 · 109 · 05280710.1103/PhysRevA.109.052807 ↗
91. Feiler · Langmuir · 2008 · 24 · 227410.1021/la7036907 ↗
92. Hod · Nature · 2018 · 563 · 48510.1038/s41586-018-0704-z ↗
93. Dou · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2014 · 89 · 20140710.1103/PhysRevB.89.201407 ↗
94. Spreng · Opt. Quantum · 2024 · 2 · 26610.1364/OPTICAQ.523360 ↗
95. Rodriguez · Phys. Rev. Lett. · 2010 · 104 · 16040210.1103/PhysRevLett.104.160402 ↗
96. Banishev · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2012 · 85 · 19542210.1103/PhysRevB.85.195422 ↗
97. Banishev · Phys. Rev. Lett. · 2013 · 110 · 13740110.1103/PhysRevLett.110.137401 ↗
98. Banishev · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2013 · 88 · 15541010.1103/PhysRevB.88.155410 ↗
99. Inui · Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys. · 2011 · 83 · 03251310.1103/PhysRevA.83.032513 ↗
100. Pappakrishnan · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2014 · 89 · 04543010.1103/PhysRevB.89.045430 ↗