Observada por primera vez la fuerza térmica de Casimir

La fuerza térmica de Casimir – por la cual dos objetos se sienten atraídos provocando fluctuaciones térmicas del campo electromagnético – ha sido medida por primera vez por físicos de los Estados Unidos. La minúscula fuerza atractiva se detectó entre dos superficies de oro separadas al menos 3 µm. Esto es demasiado lejano para que se deba a la fuerza de Casimir más común, que surge a partir de las fluctuaciones cuánticas de punto cero.

Fuerza térmica de Casmir


La fuerza de Casimir debe su nombre al físico holandés Hendrik Casimir, que en 1948 descubrió que dos placas de metal conductoras perfectamente descargadas en un vacío, deberían atraerse entre sí. Esta fuerza surge del hecho de que la energía de un campo electromagnético en un vacío no es cero, sino que fluctúa continuamente alrededor de cierto valor medio, conocido como “energía de punto cero“.

Casimir demostró que la presión de radiación del campo externo a las placas, es ligeramente superior al que hay entre las placas. Como resultado, las placas experimentarían una fuerza atractiva. Al ser tan pequeña, la fuerza se mostró extremadamente difícil de medir, y no fue hasta 1997 cuando Steve Lamoreaux, de la Universidad de Washington en los Estados Unidos, proporcionó la primera confirmación experimental de la teoría de Casimir.

Mientras que las fluctuaciones de punto cero tienen lugar a temperaturas casi al cero absoluto, un campo electromagnético experimenta un mayor número de fluctuaciones térmicas a temperaturas más altas. En 1955, el físico ruso Evgeny Lifshitz predijo que estas fluctuaciones deberían tener un efecto similar al de la presión de radiación, llevando a una fuerza térmica de Casimir.

Hallazgo bañado en oro

Ahora en la Universidad de Yale, Lamoreaux se ha unido a Alexander Sushkov y sus colegas para medir la fuerza térmica de Casimir por primera vez. En lugar de usar dos placas paralelas, el equipo observó la fuerza entre una placa bañada en oro y una esfera. Este es el método favorito para medir la fuerza de Casimir, debido a que alinear una esfera y una placa es mucho más fácil que tener dos placas paralelas alineadas con precisión.

Lamoreaux y sus colegas montaron la superficie plana sobre un haz horizontal suspendido por el centro mediante un cable para crear un péndulo de torsión. La esfera se llevó lentamente hacia la placa y, como resultado de la fuerza de Casimir, el péndulo giró hacia la esfera. El equipo midió entonces la fuerza electrostática que tenía que aplicarse a la otra mitad del péndulo para equilibrar el haz conforme la esfera se movía lentamente de 7 a 0,7 µm de la placa.

Tras corregir las fuerzas electrostáticas residuales entre la esfera y la placa, debido a imperfecciones en las superficies de oro, Sushkov y sus colegas encontraron que la fuerza de Casimir de punto cero dominaba, como era de esperar, una separación de menos de 3 µm. Sin embargo, a mayores distancias, donde se espera que la fuerza de punto cero caiga rápidamente con el cubo inverso de la separación, el equipo midió una fuerza que caía más lentamente, con el cuadrado inverso de la separación.

El modelo de Drude gana

El equipo comparó entonces sus datos con las predicciones teóricas de Lifshitz usando dos modelos para la dispersión de baja frecuencia de la constante dieléctrica de las superficies de oro: el modelo de Drude y el modelo de plasma. “Aunque ambos modelos predicen una fuerza de cuadrado inverso, el experimento parece describirse mejor mediante el modelo de Drude”, explica Sushkov.

Thomas Philbin de la Universidad de St Andrew’s en en Reino Unido, describe el experimento como “muy interesante e importante”, añadiendo que el principal significado del trabajo es que verifica la predicción de Lifshitz de 1955 sobre la existencia de la fuerza térmica de Casimir. “También pone a prueba nuestra comprensión de las propiedades electromagnéticas de los metales a bajas frecuencias”, señala.

El equipo de Yale está planificando ahora medir las fuerzas térmicas de Casimir entre otros materiales, incluyendo semiconductores.

El trabajo se describe en Nature Physics DOI: 10.1038/NPHYS1909.


Autor: Hamish Johnston
Fecha Original: 8 de febrero de 2011
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