El efecto Casimir se hace clásico

Físicos de Alemania han realizado las primeras medidas directas del “efecto Casimir crítico”, una analogía clásica del extraño efecto cuántico que lleva a que dos superficies conductores se unan en el vacío. También dicen que el efecto clásico puede ser ajustado fácilmente para repeler en lugar de atraer para reducir la indeseable fricción en nanomáquinas.

Investigadores de la Universidad de Stuttgart en Alemania hacen uso de la “microscopía de reflexión interna total” para medir el efecto Casimir crítico. (Crédito: Ingrid Schofron)

El efecto Casimir cuántico se produce porque el vacío siempre contiene campos electromagnéticos fluctuantes. Normalmente estas fluctuaciones son aproximadamente las mismas en todas partes, pero dos superficies conductoras cercanas establecen las “condiciones de frontera” que limitan el número de frecuencias de campo permitidas entre ellos. Sólo resuenan las ondas que puedan encajar en múltiplos de la mitad de una longitud de onda entre las superficies, eliminando las frecuencias no resonantes. El resultado es que el campo total dentro del hueco entre los conductores no puede producir suficiente presión para igualar el exterior, por lo que las superficies son empujadas una contra la otra.

El efecto Casimir crítico tiene el mismo principio subyacente, pero es un fenómeno clásico que surge en una mezcla de líquidos cerca de su punto crítico — el punto, definido por un umbral de temperatura y presión, más allá del cual las fases de gas y líquido son indistinguibles. Una mezcla de líquidos que va hacia su punto crítico gradualmente comienza a separarse en regiones de sus sustancias constituyentes, el tamaño y forma de las cuales fluctúa como los campos cuánticos en un vacío. Y, como en el efecto Casimir cuántico, dos superficie en tal líquido establecen condiciones de frontera, esta vez prefiriendo estar en contacto con una de las sustancias en lugar de con otra. Para lograr estas condiciones, las superficies intentan rodear una única región de la sustancia preferida acercándose.

‘El resorte más suave’

Predicho en 1978 por Michael Fisher y más tarde por Pierre-Gilles de Gennes, el efecto Casimir crítico hasta ahora sólo ha podido vislumbrarse indirectamente debido a que nadie ha perfeccionado una técnica que sea lo bastante sensible. El microcopio de fuerza atómica ha sido una posibilidad, pero los rayos son demasiado potentes. Clemens Bechinger y sus colegas de la Universidad de Stuttgart han solventado el problema con una técnica llamada microscopía de reflexión interna total, la cual puede detectar fuerzas por debajo de un femtonewton (10-15 N). “En nuestro experimento no hay rayos en absoluto, lo cual es posiblemente el resorte más suave imaginable”, dice Bechinger.

Usando esta técnica, el equipo de Stuttgart puede medir la atracción de una bola de poliestireno de 3 µm de diámetro dentro de la superficie de un vaso lleno de agua y aceite 2,6-lutidina, una mezcla que tiene su punto crítico a la conveniente temperatura de 34°C. Comienzan iluminando un láser en un ángulo agudo sobre la superficie exteiror del vaso, el cual refleja dejando sólo la luz “evanescente” de decaimiento rápido filtrándola hacia el interior. Más tarde, miden la cantidad de luz evanescente que dispersa la bola hacia un contador de fotones para decirnos cómo cambia la distancia entre la bola y el vaso.

Dado que la bola está bombardeada constantemente por las moléculas del líquido, los investigadores tienen que usar análisis estadístico para distinguir los movimiento súbitos hacia el vaso de los que resultan del efecto Casimir crítico. A partir de estos desplazamientos calcularon que el efecto de la fuerza es de aproximadamente 600 fN (Nature 451 172).

Efecto inverso

La bola se acerca a la superficie del vaso porque Bechinger y sus colegas cubrieron ambos para que prefiriesen el mismo contacto, ya sea con agua o aceite. Sin embargo, también encontraron que podrían cambiar la atracción en repulsión dando a las superficies las preferencias opuestas. En este escenario, las superficies necesitan separarse para acomodarse a las dos regiones distintas. Bechinger dice que el efecto Casimir crítico inverso podría ser útil en los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) para reducir la fricción causada por el efecto Casimir cuántico.

“El efecto es muy interesante y sus observaciones son ciertamente importantes”, dijo Astrid Lambrecht, físico del Laboratorio Kastler Brossel en París, Francia a physicsworld.com. “Potencialmente puede tener aplicaciones en nanotecnología. Pero dado que las aplicaciones con NEMS son preocupantes no estoy segura de su la gente quiere tener tales mezclas dentro de sus NEMS, especialmente dado que la mezcla de propiedades depente de la temperatura”.


Autor: Jon Cartwright
Fecha Original: 9 de enero de 2008
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