Kvantefriktion - ud over den lokale ligevægtstilnærmelse

Systemer ude af termodynamisk ligevægt er meget almindelige i naturen. I de senere år har de tiltrukket sig konstant voksende opmærksomhed på grund af deres relevans for fundamental fysik såvel som for moderne nanoteknologi. I et samarbejde, gruppen Teoretisk Optik og Fotonik ved Max-Born-Institut og Humboldt-Universität zu Berlin sammen med kolleger fra Universität Potsdam, Yale University og Los Alamos National Laboratory rapporterer nu om detaljerede nye fysiske indsigter om ikke-ligevægt atom-overflade kvantefriktion.

En særlig klasse af ikke-ligevægtsfænomener er repræsenteret af dynamiske van der Waals/Casimir-kræfter, der virker mellem atomer, molekyler og overflader. Disse kræfter, hvis oprindelse er dybt forankret i kvanteteorien, er årsagen til kontaktløs (kvante)friktion mellem to genstande, når adskilt med nogle få snese nanometer, bevæge sig i forhold til hinanden. Desværre, den detaljerede kvantitative beskrivelse af ikke-ligevægtssystemer er ret udfordrende, og de mest almindelige tilgange er afhængige af den antagelse, at korrektioner til de tilhørende ligevægtskarakteristika er relativt små. Imidlertid, gyldigheden af ​​disse procedurer og af de tilsvarende tilnærmelser er næppe blevet verificeret, uundgåeligt begrænser pålideligheden af ​​resultaterne.

I skarp kontrast til bredt accepterede antagelser, der dominerer den eksisterende litteratur, forskerne har vist, at den lokale termiske ligevægt (LTE) tilnærmelse, som behandler interagerende delsystemer i et generelt ikke-ligevægtssystem som værende lokalt i ligevægt med deres umiddelbare miljø, fejler dramatisk, når det anvendes til studiet af kvantefriktion.

Ved at bruge generelle kvantestatistiske argumenter og præcist løselige modeller, forskerne fastslog, at LTE-tilnærmelsen undervurderer størrelsen af ​​trækkraften med cirka 80 %. I betragtning af, at LTE-tilnærmelsen har været arbejdshesten for den teoretiske beskrivelse af mange ikke-ligevægtsfænomener, lige fra termisk energitransport til ikke-ligevægtsspredningskræfter, disse resultater viser, at LTE-baserede beregninger mangler streng begrundelse og skal revurderes.

Udover at tage fat på fundamentale spørgsmål inden for van der Waals/Casimirs stærkt tværfaglige felt, disse nye resultater vil have betydelig indflydelse på mange andre anvendelser af aktuel interesse inden for ikke-ligevægtsfysik, såsom miniaturiserede fælder til ultrakolde gasser (atomchips), nano-elektromekaniske systemer (NEMS) og nærfelt strålingsvarmeoverførsel. Alt i alt, dette arbejde giver en kvantitativ analyse, hvis konklusioner repræsenterer et væsentligt fremskridt i forståelsen af ​​ikke-ligevægtskvantefysik.