Real Sociedad Española de Física - RSEF

El efecto Casimir cuantizado Destacado

Pablo Rodríguez López, investigador de la Universidad de Loughborough

Si tenemos un condensador (dos placas metálicas en el vacío) descargado, un cálculo simple nos dice que no debería haber ninguna fuerza entre las placas. Pero cuando aplicamos la Mecánica Cuántica al problema vemos que esto no es así. De hecho, en 1948, Casimir demostró que las fluctuaciones cuánticas del campo electromagnético inducen una fuerza atractiva entre las placas. En un primer momento, este resultado se consideró de interés teórico, pero despreciable en la práctica por su minúscula magnitud.

El efecto Casimir, esto es, las fuerzas inducidas por fluctuaciones de un medio, son mucho más universales de lo que en un principio puede parecer. Este tipo de interacciones aparecen, por ejemplo, en sistemas críticos, en medios termalizados como coloides, en condensados de Bose-Einstein, entre intrusiones en membranas, en fluidos, en medios granulares e incluso ha sido medida en avalanchas.

Entre átomos, en distintos regímenes de distancia y temperatura se las denomina fuerzas de London o de van der Waals y son responsables, entre otras cosas, del término atractivo del potencial de Lennard-Jones, del comportamiento no ideal de los gases y de que una gota de fluido pueda moverse sobre una superficie.

Con el paso del tiempo, el interés en esta interacción ha aumentado considerablemente. Resulta que esta interacción, despreciable a las escalas de la vida diaria, es la interacción dominante en las escalas nanométricas, lo que hace fundamental poder entenderla y controlarla para el desarrollo de la nanotecnología. De hecho, en la construcción de MEMs y NEMs (Microelectromechanical yNanoelectromechanical systems) aparece un problema curioso. Imaginad que queréis construir una transmisión, un simple par de ruedas dentadas lo más pequeñas posible. Cuando tienen un metro, un centímetro o un milímetro de diámetro no hay ningún problema y las ruedas giran sin problemas pero, cuando llegamos a la escala de los nanómetros, la cosa cambia. En este caso, cuando las ruedas, los engranajes, se tocan, se quedan enganchadas y la única manera de desengancharlas es rompiéndolas. A esto se le llama quenched phenomena, es un problema ubicuo en nanotecnología y se cree que la causa es que las ruedas se atraen por efecto Casimir. Por ello, entender el efecto Casimir se ha vuelto fundamental en Nanotecnología. Poder incrementar, reducir e incluso cambiar el signo de la fuerza de atractiva a repulsiva tiene un gran interés tecnológico y experimental.

Además, la fuerza de Casimir depende no solo de la geometría, sino también de la respuesta dieléctrica de los materiales en interacción, siendo casi siempre atractiva y más intensa para metales que para dieléctricos. Por ello, si tenemos un material con respuesta electromagnética interesante, puede dar lugar a nuevos comportamientos de la fuerza de Casimir. Así, en el pasado se han propuesto metameteriales o, más recientemente, Aislantes Topológicos para obtener fuerzas de Casimir repulsivas. El grafeno, al ser una lámina bidimensional de átomos de carbono, ya tiene unas propiedades electromagnéticas interesantes y, de hecho, ya había estudios de la interacción entre láminas de grafeno, que daban lugar a una fuerza atractiva.

Con esta motivación, en un reciente artículo, Wang-Kong Tse y Allan MacDonald estudian la fuerza de Casimir entre dos láminas de grafeno, pero ahora en presencia de un campo magnético intenso.

Cuando se aplica un campo magnético suficientemente intenso al sistema, el grafeno sufre un efecto Hall cuántico y aparecen los niveles de energía discretos de Landau. En este setup, el efecto Casimir dependerá ahora de la conductividad Hall (cuántica) y, en ese sentido, tendremos una cuantización de la fuerza de Casimir. Lo interesante es que ahora podremos controlar la intensidad y el signo de la fuerza de Casimir eligiendo los niveles de Landau de las muestras de grafeno (en el régimen de grandes distancias) y el campo magnético adecuado.

¿Y para qué puede ser esto útil?. La ley de gravedad de Newton ha sido verificada para un gran rango de distancias, pero a distancias pequeñas sólo ha sido verificada hasta distancias de micrómetros. Los experimentos en los que se mide la fuerza de Casimir también sirven para comprobar la ley de Newton a distancias pequeñas. En este contexto, tener un mecanismo por el cual podemos controlar o incluso anular la fuerza de Casimir, que es la dominante a estas escalas, permitirá medir con mucha más precisión si existen o no correcciones a la ley de la gravedad a estos regímenes, lo que puede dar lugar a nuevos y excitantes descubrimientos.

No está mal para un efecto inútil en la práctica.

Referencia: Quantized Casimir Force’, Wang-Kong Tse y Allan MacDonald  Phys. Rev. Lett. 109, 236806 (2012)

El artículo también se puede consultar en el arXiv: http://arxiv.org/abs/1208.3786

Pablo Rodríguez Lópezes investigador asociado del departamento de Física de la Universidad de Loughborough (Reino Unido) y es miembro del Grupo Interdisciplinar de Sistemas Complejos.

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