Controlando el Vacío Cuántico para la Transferencia de Energía y Dispositivos Casimir Funcionales

Investigadores diseñan un método para controlar las fluctuaciones del vacío cuántico para la transferencia de energía unidireccional entre dos nanodispositivos

Por: William Brown, Biofísico de Resonance Science Foundation

Un resultado fundamental de la teoría cuántica de campos es la predicción de una energía siempre distinta de cero en el estado de vacío. En la física clásica, el vacío carece totalmente de energía o sustancia. En la física moderna, todas las fuerzas y partículas asociadas son de tipo campo, y su manifestación es el resultado de las excitaciones del campo cuántico respectivo. Así, según la teoría cuántica de campos, incluso en el vacío hay campos cuánticos y, lo que es más importante, estos campos siempre sufren excitaciones aleatorias, incluso en el punto en el que debería haber energía cero, es decir, hay fluctuaciones de energía constitutivas del punto cero.

Estas fluctuaciones de energía del vacío cuántico no son triviales, en la teoría de la cromodinámica cuántica (QCD) son las que dan a los hadrones, como el protón, su masa. Dentro de la teoría QCD, alrededor del 2% de la masa de los neutrones y protones proviene de la llamada interacción de Higgs, el resto de la masa (el otro 98%) proviene de las fluctuaciones de energía del vacío de la QCD que genera un condensado de quarks-antiquarks y gluones-véase la conferencia del físico Nobel Frank Wilczek sobre el “la materialidad de un vacío” para aprender más sobre las propiedades del "éter", especialmente en su aplicación a la QCD.

La energía fenomenal del vacío cuántico constituye nuestro mundo cotidiano, la materia está hecha de fluctuaciones del vacío (matter is made of vacuum fluctuations), y físicos como Nassim Haramein han aplicado esta comprensión para revelar cómo surgen las masas de las partículas, así como las fuerzas y constantes de la naturaleza (the forces and constants of nature) [1],[2]. Esta fluctuación constitutiva de la densidad de energía del espacio, en distancias y escalas de tiempo muy cortas, no es sólo teórica: sus efectos se han observado y caracterizado empíricamente. El efecto más conocido es la fuerza Casimir, que en su forma más simple produce una atracción entre objetos que se encuentran a distancias submicrónicas entre sí, debido a cómo los objetos anulan ciertos modos de las fluctuaciones del vacío cuántico, generando una fuerza -pero que también se ha utilizado para generar fuerzas repulsivas (para la levitación), ha liberado fotones del vacío a través del efecto Casimir dinámico (dynamical Casimir effect) y también se ha utilizado para realizar la oscilación no lineal [3], el atrapamiento cuántico [4], la transferencia de fonones [5] y la dilución por disipación [6].

Como se puede ver, hay muchas aplicaciones tecnológicas potenciales del efecto Casimir (no menos importante sería una fuerza antigravitatoria si el efecto pudiera ser suficientemente amplificado y controlado). Ahora, un equipo ha informado sobre un dispositivo no recíproco basado en las fluctuaciones del vacío cuántico, que puede afectar a la transferencia unidireccional de energía, como un diodo. En una publicación en la revista Nature Nanotechnology, el equipo informa de una transferencia no recíproca de energía entre dos osciladores micromecánicos mediada por el vacío cuántico [7]. El equipo de investigación que ha publicado el estudio, dirigido por Tongcang Li, del Instituto de Ciencia e Ingeniería Cuántica de la Universidad de Purdue, ha demostrado por primera vez un avance en la utilización de las fluctuaciones del vacío cuántico para regular la transferencia de energía a escala nanométrica y construir dispositivos Casimir funcionales.

De forma similar al control de la corriente eléctrica con diodos, el equipo de investigación pretende haber desarrollado un "diodo Casimir" eficaz que puede rectificar la transferencia de energía acoplada por la interacción Casimir. El equipo de investigación explica que la no reciprocidad, o la transferencia de energía unidireccional, se realiza mediante la modulación dinámica de la interacción Casimir no lineal en una cavidad óptica especialmente construida en la que los modos de frecuencia de las membranas de dos osciladores micromecánicos se acoplan mediante luz y se modulan dinámicamente hasta un estado especial de la modulación de frecuencia denominado punto excepcional (véase la figura 1b y 1c), una técnica óptico-mecánica (u optomecánica). Utilizando la fuerte no linealidad de la interacción Casimir y la estructura asimétrica cerca del punto excepcional para romper la simetría de la inversión del tiempo, modulando la separación entre los cantilevers (voladizos) duales (los resonadores micromecánicos), a la frecuencia y amplitud deseadas, los investigadores han realizado una transferencia de energía no recíproca con la interacción Casimir.

_{Figura 1: Efecto Casimir en el sistema de doble voladizo y valores propios cerca del punto excepcional. (a): Dos voladizos modificados con frecuencias de resonancia ω1 y ω2 experimentan una fuerza Casimir debido a las fluctuaciones del vacío cuántico. Las amplitudes de vibración de los dos voladizos se denominan A1 y A2. Se aplica una modulación lenta adicional con una frecuencia fmod y una amplitud δd en el resonador 1 para realizar el acoplamiento paramétrico. (b) y (c): La parte real y la parte imaginaria de los valores propios se muestran en función de la frecuencia de modulación fmod y la amplitud de modulación δd. Los dos valores propios muestran una estructura topológica no trivial cerca del punto excepcional (PE). Imagen y descripción de [7] Z. Xu, X. Gao, J. Bang, Z. Jacob y T. Li, "Non-reciprocal energy transfer through the Casimir effect", Nat. Nanotechnol., vol. 17, nº 2, Art. nº 2, feb. 2022.}

Los resultados son otra demostración empírica de la naturaleza sustantiva y no trivial de la energía del punto cero del vacío cuántico, y las operaciones no recíprocas abren nuevas vías para el control de los sistemas optomecánicos, como ejemplifica el revolucionario "Diodo Casimir" del equipo. La técnica ofrece un grado impresionante de control de los sistemas optomecánicos a escala micrométrica o nanométrica, ya que la dirección de la transferencia de energía depende de la secuencia de operaciones. Sin duda, este notable sistema proporcionará la flexibilidad necesaria para futuras aplicaciones en dispositivos basados en Casimir.

Referencias

[1] Val baker, A.K.F, Haramein, N. and Alirol, O. (2019). The Electron and the Holographic Mass Solution, Physics Essays, Vol 32, Pages 255-262.

[2] Haramein, N. (2012). Quantum Gravity and the Holographic Mass, Physical Review & Research International, ISSN: 2231-1815, Page 270-292 

[3] H. B. Chan, V. A. Aksyuk, R. N. Kleiman, D. J. Bishop, and F. Capasso, Nonlinear micromechanical Casimir oscillator, Phys. Rev. Lett. 87, 211801 (2001).

[4] R. Zhao, L. Li, S. Yang, W. Bao, Y. Xia, P. Ashby, Y. Wang, and X. Zhang, Stable Casimir equilibria and quantum trapping, Science 364, 984 (2019).

[5] K. Y. Fong, H.-K. Li, R. Zhao, S. Yang, Y. Wang, and X. Zhang, Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations, Nature 576, 243 (2019).

[6] J. M.Pate, M.Goryachev, R.Y.Chiao, J. E.Sharping, and M.E. Tobar, Casimir spring and dilution in macroscopic cavity optomechanics, Nature Physics 16, 1117–1122 (2020).

[7] Z. Xu, X. Gao, J. Bang, Z. Jacob, and T. Li, “Non-reciprocal energy transfer through the Casimir effect,” Nat. Nanotechnol., vol. 17, no. 2, Art. no. 2, Feb. 2022, doi: 10.1038/s41565-021-01026-8