原子与宏观系统中的涨落电动力学：van der Waals 相互作用与辐射传热

我们提出了一种描述涨落电动力学（FED）相互作用的方法，特别是针对长度尺度差异巨大的物体间的 van der Waals（vdW）相互作用以及辐射传热（RHT），该方法允许根据需要在每个物体的原子论处理和连续介质处理之间进行切换。任何局域的电磁（EM）响应连续介质描述均与我们的方法兼容，而我们方法中的原子论描述基于有效的电子和核振子自由度，涵盖了耗散、短程电子关联以及集体核振动（声子）。虽然我们之前使用该方法的工作侧重于展示新结果，但本文侧重于这些方法背后的推导。首先，我们展示了“原子”与“宏观”物体之间的区分最终是有些任意的，因为无论这种区分如何划定，vdW 自由能和 RHT 的公式看起来都非常相似。接下来，我们证明了我们方法中对材料响应的原子论描述能产生电磁相互作用矩阵元，这些矩阵元对于紧凑物体表示为解析公式，对于周期性介质表示为基于 Ewald 求和的半解析公式；我们利用此方法计算了金属板存在下小生物分子之间的 vdW 相互作用自由能和 RHT 功率，以及真空中平行石墨烯片之间的相应量，展示了由于几何结构、声子和电磁延迟效应的共同作用而与经典宏观理论产生的强烈偏差。最后，我们提出了高效计算物体间 FED 相互作用的公式，其中原子论处理的物体和连续介质方法处理的物体均可具有任意形状，从而扩展了以往的表面积分技术。