Artículo publicado por Hamish Johnston el 18 de julio de 2012 en physicsworld.com
Físicos estadounidenses pueden haber terminado con un debate, que ya dura una década, acerca de cómo debería calcularse la fuerza de Casimir – que afecta a objetos separados por distancias minúsculas – para dos objetos metálicos. Dicen que el conocido como modelo Drude, que trata a los metales como un conjunto de iones positivos y electrones similares a bolas de billar, vence sobre el “modelo de plasma”, que supone que los electrones se mueven en una red fija de iones positivos.
Comprender cómo determinar la fuerza podría desempeñar un papel importante en el diseño de máquinas micro y nanométricas.
Efecto Casimir
La fuerza de Casimir se predijo por primera vez en 1948 por el físico holandés Hendrik Casimir, que consideró lo que sucede cuando dos placas de metal no cargadas y perfectamente conductoras se colocan una frente a otra en un vacío. De acuerdo con la mecánica cuántica, la energía de un campo electromagnético en el vacío es distinta de cero pero fluctúa continuamente alrededor de un cierto valor medio.
No obstante, la resonancia implica que solo habrá ciertas longitudes de onda entre las dos placas separadas por una distancia concreta.
Lo que calculó Casimir fue que la presión de radiación del campo fuera de las placas tiende a ser ligeramente mayor que entre las placas, por tanto se atraerán. Al ser tan minúscula, la fuerza de Casimir demostró ser extremadamente difícil de medirse y no fue hasta 1997 cuando Steve Lamoreaux, entonces en la Universidad de Washington en Estados Unidos, proporcionó la primera confirmación experimental firme de la teoría de Casimir. Aunque Lamoreaux y otros han realizado desde entonces mejores medidas, persistía un importante misterio respecto a cómo se debería medir la fuerza de Casimir para objetos reales.
Un hueco mayor, una fuerza menor
Aunque se han realizado con éxito medidas de la fuerza de Casimir entre dos superficies de oro, el problema es que el oro no es un conductor perfecto – lo que implica que la radiación electromagnética puede penetrar una distancia finita en el metal. El hueco entre las superficies es efectivamente mayor y la fuerza más débil que si el metal fuese un conductor perfecto, explica Thorsten Emig de la Universidad de París Sud, experto en la fuerza de Casimir que no estuvo implicado en el último trabajo.
Tanto el modelo de plasma como el de Drude describen bien cómo interacciona la luz de longitud de onda corta con la superficie del metal – y por tanto pueden usarse para calcular la fuerza de Casimir en distancias relativamente cortas de menos de aproximadamente 1 µm. A mayores distancias, sin embargo, los modelos difieren. El modelo de plasma predice que el modo eléctrico “estático transversal” del campo electromagnético dentro del hueco contribuye a la fuerza de Casimir, mientras que el modelo de Drude dice que no lo hace. Lamentablemente, los físicos no han podido usar un instrumento para medir la fuerza de Casimir a lo largo de un rango de distancias lo bastante grandes como para decidir qué modelo funciona mejor en todas las distancias.
Drude funciona mejor
Lamoreaux, actualmente en la Universidad de Yale, ha unido sus fuerzas con Hong Tang y sus colegas para medir la fuerza de Casimir en el mayor rango de distancias hasta la fecha – de 100 nm a 2 µm. Al hacer esto, el equipo es el primero en demostrar que el modelo de Drude funciona mejor tanto en distancias cortas como largas.
Aunque Casimir formuló originalmente su teoría de placas paralelas, en realidad medir la fuerza de este modo es complejo debido a la dificultad de alinear las placas lo bastante bien como para realizar el experimento. El avance de Lamoreaux en 1997 implicaba medir la fuerza entre una placa y una esfera de metal – una configuración que no requiere de una alineación precisa. Su último experimento trata de medir la fuerza entre una esfera cubierta de oro de un radio de 4 mm y una membrana extremadamente fina de nitruro de silicio que también está cubierta de oro. La membrana apenas tiene unos nanómetros de grosor y el oro que la cubre tiene un espesor de 200 nm. Un rasgo importante de la superficie de oro resultante es que es plana con un margen de error de 3 nm en toda la membrana, la cual es un cuadrado con lados de 1 mm de longitud.
Membrana vibratoria
La membrana se estira como la piel de un tambor a lo largo de un marco de silicio, y se hace vibrar la membrana usando un actuador piezoeléctrico. Se realiza una medida aproximando la esfera a menos de 1 µm de la superficie de oro mientras que se monitorizan las vibraciones de la membrana usando un interferómetro de fibra. La presencia de la fuerza de Casimir puede detectarse gracias a su efecto sobre la vibración de la membrana, midiendo la fuerza para variaciones de la separación entre 100 nm y 2 µm.
En teoría, todos los puntos de una superficie metálica deberían tener el mismo potencial eléctrico, pero en la práctica las moléculas adsorbidas en la superficie hacen que el potencial varíe de tal forma que puede afectar a las medidas de la fuerza – particularmente en separaciones relativamente grandes. Para permitir este efecto, el equipo hizo un barrido de malla sobre la esfera usando varias membranas para medir el potencial de superficie como una función de la posición. Esto les permitió seleccionar una membrana con la menor variación de las medidas de Casimir. La información del barrido también se usó para corregir las variaciones espaciales durante las medidas.
Además de demostrar que el modelo de Drude es mejor para describir la fuerza de Casimir, la investigación también revela el importante papel que desempeñan las variaciones de potencial en la superficie en las medidas de Casimir. De hecho, el equipo sugiere que un importante paso a dar en las medidas de Casimir será cartografiar las variaciones de potencial en la superficie de la esfera. De tener éxito, esto podría permitir que se realizaran medidas incluso a mayores separaciones, que es algo que Lamoreaux ve como un importante paso a dar en nuestra comprensión de la fuerza de Casimir.
El experimento se describe en Physical Review Letters
