¡Efecto Casimir Repulsivo!

^{Imagen cortesía de Alan Stonebraker, American Physical Society.}

Por Inés Urdaneta / Física de Resonance Science Foundation

En una serie de artículos de RSF hemos abordado la observación a escala macroscópica del efecto Casimir, procedente de las fluctuaciones microscópicas del vacío.  Se ha comprobado que el efecto Casimir no sólo atrae placas fijas o móviles del mismo material situadas a micrómetros de distancia (fig. 1), sino que también tiene un impacto medible en las nanopartículas.

Recientemente, el efecto Casimir había sido considerado responsable de las fuerzas y los efectos de torsión medidos experimentalmente. Esta vez nos vuelve a sorprender con una fuerza repulsiva medida experimentalmente, y explicada teóricamente.

Hasta ahora sólo se habían medido interacciones atractivas, pero según las predicciones teóricas, el signo y, por tanto, la dirección de la fuerza podría cambiar de atractiva a repulsiva en función del material y la configuración del montaje experimental. Esto lo consiguieron en 2009 Capasso y colaboradores, de la Universidad de Harvard, eligiendo un material adecuado sumergido en un fluido entre las placas.  Demostraron que las fuerzas repulsivas de Casimir-Lifshitz permiten la levitación cuántica de objetos en un fluido y que puede dar lugar a un nuevo tipo de dispositivos a nanoescala conmutables con una fricción estática extremadamente baja. 

^{Figura 1: El habitual efecto Casimir consiste en placas a muy corta distancia entre ellas, que se atraen.} 

Este año, Qing-Dong Jiang, de la Universidad de Estocolmo, y Frank Wilczek, de la Universidad Estatal de Arizona, han desarrollado aún más nuestra comprensión del fenómeno, demostrando que la fuerza de Casimir puede hacerse repulsiva, grande y sintonizable, insertando un material quiral entre las placas.

"Esto podría producir una fuerza de Casimir repulsiva más de 3 veces más fuerte que la fuerza atractiva para la misma configuración en el vacío."

 –Nicolas Doiron-Leyraud

La quiralidad tiene que ver con la capacidad que tiene un material de hacer girar la luz polarizada hacia la izquierda o hacia la derecha, al ser atravesado por la luz, y es una propiedad consecuencia de la composición microscópica del material. Esta propiedad depende de la simetría de la estructura interna. Si una molécula puede superponerse a su imagen en el espejo, la molécula es aquiral -no presenta quiralidad-, y es quiral en caso contrario.

Las manos son un ejemplo de quiralidad. Su superposición no produce la misma imagen de una de las manos, sino una combinación de ambas, como se aprecia en la imagen de abajo. Se dice entonces que las manos son quirales.

Jiang y Wilczek demuestran que pueden surgir fuerzas de Casimir repulsivas entre dos cuerpos similares con simetría de reflexión, insertando un material quiral entre ellos. El material quiral haría que los dos tipos de fotones (polarizados circularmente a la derecha o a la izquierda) tengan velocidades diferentes y, en consecuencia, cada uno de ellos transferiría una cantidad diferente de momento a las placas.

Los autores encuentran que la amplitud y principalmente el signo de la fuerza podría ajustarse cambiando la distancia entre las placas, o cambiando la fuerza del campo magnético. 

La fuerza de Casimir quiral tiene varias características distintivas: puede ser oscilante, su magnitud puede ser grande (en relación con la fuerza de Casimir entre dos conductores ideales paralelos inmersos en el vacío cuántico), y puede variar en respuesta a campos magnéticos externos. Gracias a estas capacidades, este efecto puede ser muy útil en nuevos dispositivos electrónicos.

Gracias a estas aplicaciones tecnológicas, este nuevo efecto demuestra que es posible hacer ingeniería del vacío.