Efecto casimiro

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El efecto Casimir (efecto Casimir-Polder)  es un efecto que consiste en la atracción mutua de cuerpos conductores sin carga bajo la acción de fluctuaciones cuánticas en el vacío . La mayoría de las veces, estamos hablando de dos superficies de espejo paralelas sin carga colocadas a una distancia cercana, pero el efecto Casimir también existe con geometrías más complejas.

Para cuerpos ópticamente anisotrópicos , también es posible la ocurrencia de un par de Casimir, dependiendo de la orientación mutua de los ejes ópticos principales de estos cuerpos [1] .

La causa del efecto Casimir son las fluctuaciones energéticas del vacío físico debido al constante nacimiento y desaparición de partículas virtuales en él . El efecto fue predicho por el físico holandés Hendrik Casimir ( 1909-2000 ) en 1948 [2] y posteriormente en 1957 [3] [4] fue confirmado experimentalmente.

Esencia del efecto

Según la teoría cuántica de campos , el vacío físico no es un vacío absoluto. Constantemente nacen y desaparecen pares de partículas virtuales y antipartículas  ; hay constantes oscilaciones (fluctuaciones) de los campos asociados con estas partículas. En particular, existen oscilaciones del campo electromagnético asociado a los fotones . En el vacío nacen y desaparecen fotones virtuales, correspondientes a todas las longitudes de onda del espectro electromagnético .

Para introducir cuerpos macroscópicos en el vacío, incluso sin carga, es necesario realizar un cierto trabajo, que se requiere para cambiar las condiciones de contorno para el campo de las fluctuaciones del vacío. El módulo de este trabajo es igual a la diferencia de las energías de las oscilaciones cero del vacío en ausencia y en presencia de cuerpos [5] .

Por ejemplo, en el espacio entre superficies de espejos estrechamente espaciadas, las condiciones límite para el campo de fluctuación, en comparación con el vacío sin cuerpos, cambian de la siguiente manera. En ciertas longitudes resonantes (un número entero o medio entero de veces que cabe entre las superficies), las ondas electromagnéticas se amplifican. En todas las demás longitudes, que son mayores, por el contrario, se suprimen estas ondas (es decir, se suprime la producción de los fotones virtuales correspondientes). Esto sucede debido al hecho de que solo pueden existir ondas estacionarias en el espacio entre las placas, cuya amplitud en las placas es igual a cero. Como resultado, la presión de los fotones virtuales desde el interior sobre dos superficies resulta ser menor que la presión sobre ellos desde el exterior , donde la producción de fotones no está limitada de ninguna manera. Cuanto más cerca están las superficies entre sí, menos longitudes de onda entre ellas están en resonancia y más se suprimen. Tal estado de vacío se refiere a veces en la literatura como un vacío de Casimir . Como resultado, aumenta la fuerza de atracción entre las superficies.

El fenómeno se puede describir en sentido figurado como "presión negativa", cuando el vacío carece no solo de partículas ordinarias, sino también de partículas virtuales, es decir, "bombearon todo y un poco más". El efecto Scharnhorst también está relacionado con este fenómeno .

Analogía

El fenómeno de la succión de los barcos es similar al efecto Casimir y fue observado ya en el siglo XVIII por marineros franceses. Cuando dos barcos , balanceándose de lado a lado en condiciones de mar fuerte , pero vientos ligeros , estaban a una distancia de unos 40 metros o menos, como resultado de la interferencia de las olas en el espacio entre los barcos, las olas se detuvieron. El mar en calma entre los barcos creaba menos presión que las olas de los costados exteriores de los barcos. Como resultado, surgió una fuerza que buscaba empujar los barcos hacia los lados. Como contramedida, el manual de navegación de principios del siglo XIX recomendaba que ambos barcos enviaran un bote salvavidas con 10 a 20 marineros para separar los barcos. Debido a este efecto (entre otros), hoy en día se forman islas de basura en el océano .

Además, el efecto se asemeja a la teoría cinética de la gravedad de Le Sage , que consiste en empujar cuerpos unos contra otros bajo la presión de unas partículas hipotéticas.

La magnitud de la fuerza de Casimir

La fuerza de atracción que actúa por unidad de área para dos superficies especulares ideales paralelas en el vacío absoluto es [6]

dónde

 es la constante de Planck reducida ,  es la velocidad de la luz en el vacío,  es la distancia entre superficies.

Esto muestra que la fuerza de Casimir es extremadamente pequeña. La distancia a la que empieza a ser perceptible es del orden de varios micrómetros . Sin embargo, siendo inversamente proporcional a la cuarta potencia de la distancia, crece muy rápidamente a medida que la distancia disminuye. A distancias del orden de los 10  nm  —cientos del tamaño de un átomo típico— la  presión creada por el efecto Casimir resulta comparable a la presión atmosférica.

En el caso de una geometría más compleja (por ejemplo, la interacción de una esfera y un plano o la interacción de objetos más complejos), el valor numérico y el signo del coeficiente cambia [7] , por lo que la fuerza de Casimir puede ser tanto una atracción fuerza y ​​una fuerza repulsiva.

A pesar de que la fórmula de la fuerza de Casimir no contiene la constante de estructura fina  - principal característica de la interacción electromagnética - este efecto, sin embargo, tiene un origen electromagnético. Como se muestra en la nota [8] , cuando se tiene en cuenta la conductividad finita de las placas, aparece la dependencia de y la expresión estándar para la fuerza aparece en el caso límite , donde  es la densidad de electrones en la placa.

Grafeno

El efecto Casimir determina la interacción de cualquier objeto eléctricamente neutro a distancias pequeñas (del orden de un micrómetro o menos). En el caso de materiales realistas, la magnitud de la interacción está determinada por las propiedades generales del material (permitividad en el caso de dieléctricos, conductividad para metales). Sin embargo, los cálculos muestran que incluso para capas monoatómicas de grafeno , la fuerza de Casimir puede ser relativamente grande y el efecto puede observarse experimentalmente [9] [10] .

Historial de descubrimientos

Hendrik Casimir trabajó en Philips Research Laboratories en los Países Bajos, estudiando soluciones coloidales  , sustancias viscosas que tienen partículas del tamaño de un micrómetro en su composición. Uno de sus colegas, Theo Overbeek , descubrió que el comportamiento de las soluciones coloidales no concordaba del todo con la teoría existente y le pidió a Casimir que investigara este problema. Casimir pronto llegó a la conclusión de que las desviaciones del comportamiento predicho por la teoría podrían explicarse teniendo en cuenta la influencia de las fluctuaciones del vacío en las interacciones intermoleculares. Esto lo llevó a preguntarse qué efecto pueden tener las fluctuaciones del vacío en dos superficies especulares paralelas, y condujo a la famosa predicción sobre la existencia de una fuerza de atracción entre estas últimas.

Descubrimiento experimental

Cuando Casimir hizo su predicción en 1948 , la imperfección de las tecnologías existentes y la extrema debilidad del propio efecto hicieron extremadamente difícil su verificación experimental. Uno de los primeros experimentos fue realizado en 1958 por Marcus Spaarnay del centro Philips en Eindhoven . Spaarney concluyó que sus resultados "no contradicen las predicciones teóricas de Casimir". En 1997 se inició una serie de experimentos mucho más precisos, en los que se estableció una concordancia entre los resultados observados y la teoría con una precisión superior al 99%.

En 2011, un grupo de científicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers confirmó el efecto dinámico de Casimir . En el experimento, gracias a la modificación del SQUID , los científicos obtuvieron una apariencia de espejo que, bajo la influencia de un campo magnético, oscilaba a una velocidad de alrededor del 5% de la velocidad de la luz. Esto resultó ser suficiente para observar el efecto Casimir dinámico: el SQUID emitió una corriente de fotones de microondas, y su frecuencia era igual a la mitad de la frecuencia de oscilación del "espejo". Es este efecto el que fue predicho por la teoría cuántica [11] [12] .

En 2012, un equipo de investigadores de la Universidad de Florida construyó el primer chip para medir la fuerza de Casimir entre un electrodo y una oblea de silicio de 1,42 nm de espesor a temperatura ambiente. El dispositivo funciona en modo automático y está equipado con un accionamiento que ajusta la distancia entre las placas de 1,92 nm a 260 nm, manteniendo el paralelismo. Los resultados de la medición concuerdan con bastante precisión con los valores calculados teóricamente. Este experimento muestra que a distancias dadas la fuerza de Casimir puede ser la principal fuerza de interacción entre las placas [13] [14] .

En 2015, fue posible detectar y medir experimentalmente el torque de Casimir [15] .

Investigación moderna sobre el efecto Casimir

Aplicación

Para 2018, un grupo ruso-alemán de físicos ( V. M. Mostepanenko , G. L. Klimchitskaya, V. M. Petrov y un grupo de Darmstadt dirigido por Theo Tschudi ) desarrollaron un esquema teórico y experimental para un helicóptero óptico cuántico en miniatura para rayos láser basado en el efecto Casimir, en el que la fuerza de Casimir se equilibra con una ligera presión [16] [17] .

En la cultura

El efecto Casimir se describe con cierto detalle en el libro de ciencia ficción Light of Other Days de Arthur C. Clarke , donde se utiliza para crear dos agujeros de gusano emparejados en el espacio-tiempo y transmitir información a través de ellos.

Notas

  1. ↑ Barash Yu. S., Ginzburg V. L. Fluctuaciones electromagnéticas en la materia y fuerzas moleculares (van der Waals) entre cuerpos // UFN , volumen 116, pág. 5-40 (1975)
  2. ↑ Casimir HBG Sobre la atracción entre dos placas perfectamente conductoras  //  Actas de la Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen: diario. - 1948. - Vol. 51 . - Pág. 793-795 .
  3. ↑ Sparnaay, MJ Fuerzas atractivas entre placas planas   // Naturaleza . - 1957. - vol. 180 , núm. 4581 . - Pág. 334-335 . -doi : 10.1038/ 180334b0 . — .
  4. ↑ Sparnaay, M. Mediciones de fuerzas atractivas entre placas planas  //  Physica: journal. - 1958. - vol. 24 , núm. 6-10 . - Pág. 751-764 . - doi : 10.1016/S0031-8914(58)80090-7 . - .
  5. ↑ Itsikson K., Zuber J.-B. Teoría cuántica de campos. T. 1 - M.: Mir , 1984. - Tirada 6000 ejemplares. - Con. 171
  6. ↑ Sadovsky M. V. Conferencias sobre teoría cuántica de campos. - Moscú-Izhevsk, Instituto de Investigación Informática, 2003. - ISBN 5-93972-241-5  - Edición 800 ejemplares. - Con. 67.
  7. ↑ Physical Encyclopedia, Vol. 5. Dispositivos estroboscópicos - Brillo / Cap. edición A. M. Projorov. ed. Kol .: A. M. Baldin, A. M. Bonch-Bruevich, etc. - M .: Gran Enciclopedia Rusa, 1994, 1998. - 760 p. — ISBN 5-85270-101-7 , pág. 644 .
  8. ↑ R. Jaffe . El Efecto Casimir y el Vacío Cuántico  .
  9. ↑ Bordag M., Fialkovsky IV, Gitman DM, Vassilevich DV Casimir interacción entre un conductor perfecto y el grafeno descrito por el modelo de Dirac  // Physical Review B  : revista  . - 2009. - Vol. 80 . — Pág. 245406 . -doi : 10.1103 / PhysRevB.80.245406 .
  10. ↑ Fialkovsky I. V., Marachevskiy V. N., Vassilevich D. V. Efecto Casimir de temperatura finita para grafeno  . — 2011.
  11. ↑ Los físicos registraron por primera vez el efecto Casimir dinámico (enlace inaccesible) . Consultado el 15 de julio de 2011. Archivado desde el original el 20 de enero de 2012. 
  12. ↑ Un artículo sobre el efecto Casimir dinámico en Nature
  13. ↑ El primer chip para medir la fuerza de Casimir
  14. ↑ Los ingenieros presentan el primer chip Casimir que explota la energía del vacío | Revisión de tecnología del MIT
  15. ↑ David A. T. Somers, Joseph L. Garrett, Kevin J. Palm y Jeremy N. Munday 19 de diciembre. 2018 Medición del par de Casimir // Naturaleza , volumen 564, páginas 386—389 (2018)
  16. ↑ G. L. Klimchitskaya, V. V. Mostepanenko, V. V. Petrov, T. Tschudi. Chopper óptico impulsado por la fuerza de Casimir  (neopr.)  // Phys. Rvdo. Aplicado. - 2018. - T. 10 , N º 1 . - S. 014010 . -doi : 10.1103 / PhysRevApplied.10.014010 .
  17. ↑ El físico de KFU, junto con un grupo de científicos, desarrolló un nuevo dispositivo para sistemas de comunicación óptica , portal de medios de KFU  (26 de febrero de 2019).

Literatura

Enlaces

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