我們都知道，當兩個物體有相對運動時，它們之間會有摩擦力，這種力會消耗能量并使物體減速。但是，如果兩個物體之間沒有接觸呢？它們之間還會有摩擦力嗎？答案是肯定的，這種力就是真空摩擦力。

真空摩擦力是一種量子效應，它源于真空中存在的電磁場漲落。這些漲落是由量子不確定性導致的，它們不斷地在虛空中產生和湮滅。當一個物體運動時，它會擾動周圍的真空漲落，并向外輻射電磁波。如果另一個物體靠近它，那么它就會感受到這些輻射，并對其產生反作用力。這個反作用力就是真空摩擦力，它總是與物體的運動方向相反。

真空摩擦力非常微弱，在日常生活中很難觀察到。但是，在納米尺度上，它可能變得重要，并影響納米機器或量子信息處理等應用。因此，理解和控制真空摩擦力是一個有趣而有挑戰性的課題。

負真空摩擦力

那么，真空摩擦力是否總是減速物體呢？是否有可能存在一種與運動方向相同的真空摩擦力呢？這就是負真空摩擦力。

負真空摩擦力并不違反物理定律，只要滿足能量和動量守恒就可以。為了實現負真空摩擦力，我們需要一個特殊的系統，它可以將真空漲落轉化為其他形式的能量，并將其傳遞給另一個物體。這樣，就可以使一個物體加速而不是減速。具體來說，我們考慮如下圖所示的系統：

這個系統由一個旋轉的硅球和一個覆蓋了石墨烯的介質基底組成，它們之間有一定的距離。當硅球旋轉時，它會激發真空漲落，并向外輻射太赫茲電磁波。這些電磁波會在石墨烯上激發表面等離激元，這是一種由電子和正空穴組成的準粒子。表面等離激元會沿著石墨烯表面傳播，并與電磁波相互作用。

如果石墨烯處于正常狀態，那么表面等離激元會逐漸衰減，并向基底傳遞能量。這樣，基底就會向前反沖，給硅球施加一個與其旋轉方向相反的力，這就是正常的真空摩擦力。

但是，如果石墨烯處于增益狀態，那么表面等離激元就會加速傳播，并從基底吸收能量。這樣，基底就會向后反沖，給硅球施加一個與其旋轉方向相同的力，這就是負真空摩擦力。

那么，如何使石墨烯處于增益狀態呢？一種方法是用光來泵浦石墨烯，使其電子和正空穴產生非平衡分布。這樣，就可以調節石墨烯的準費米能級，從而改變表面等離激元的增益或損耗。當準費米能級足夠大時，就可以實現負真空摩擦力。

負真空摩擦力的大小取決于幾個因素，包括硅球和基底之間的距離、溫度、基底的介電常數和石墨烯的準費米能級。負真空摩擦力隨著距離的增加而減小，隨著溫度的增加而增大，隨著基底介電常數的增加而增大，隨著準費米能級的增加而增大。當距離為100納米、溫度為300開爾文、基底介電常數為4、準費米能級為1.5電子伏時，負真空摩擦力產生的力矩可以達到10^-16 牛頓·米。

負真空摩擦力的應用

負真空摩擦力有什么用呢？一種可能的應用是用它來驅動納米球達到超高旋轉速度。如果我們忽略其他因素，那么納米球的角速度將滿足以下方程：dω/dt=τ/I，其中ω是角速度，τ是負真空摩擦力產生的扭矩，I是納米球的轉動慣量。

如果我們假設納米球的半徑為100納米，密度為2000千克/立方米，那么它的轉動慣量約為10^-25 千克·米^2。如果我們用前面的參數計算負真空摩擦力的扭矩，那么我們可以得到納米球的角加速度為10億弧度每平方秒！如果沒有其他阻力，那么納米球將在一秒內達到非常高的轉速。

當然，這是一個理想化的情況，實際上還有其他因素會影響納米球的旋轉，比如周圍空氣的阻力、石墨烯的損耗、真空漲落的隨機性等。但是，即使考慮這些因素，負真空摩擦力仍然可以使納米球達到很高的旋轉速度。科學家估計，在實際條件下，負真空摩擦力可以使納米球達到每分鐘幾千萬轉的速度。

這樣高速旋轉的納米球可能有一些有趣的應用，比如用于精密測量、納米機械或量子信息處理等領域。當然，要實現這種效果，還需要解決一些技術難題，比如如何制備和操控納米球、如何泵浦和調節石墨烯、如何測量和控制真空漲落等。