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| Microfoto de una dispositivo para medir el efecto Casimir. Foto: Umar Mohideen, Universidad de California en Riverside. |
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Según un estudio teórico el efecto Casimir se puede tornar repulsivo en lugar de atractivo si se inserta un metamaterial con índice de refracción negativo entre las dos placas.
Este resultado, aceptado en New Journal of Physics, ha sido calculado por Ulf Leonhardt y Thomas Philbin de University of St Andrews y según sus resultados este efecto podría ser lo suficientemente intenso como para hacer levitar un pequeño espejo y permitir reducir la fricción en dispositivos nanomecánicos.
El efecto Casimir es increíblemente misterioso. Propuesto por primera vez por Henrik Casimir en 1948 no fue medido experimentalmente con precisión hasta 1997. Según este efecto si se colocan dos placas metálicas muy cerca entre sí, se estable una presión de radiación que fuerza a las placas a juntarse.
Esta presión de radiación viene dada por las fluctuaciones cuánticas electromagnéticas del vacío. Según la mecánica cuántica el vacío, una vez despojado de toda materia y radicación ordinaria, está lleno de fluctuaciones o partículas virtuales (muchas de ellas electromagnéticas, es decir fotones). Cuando se dispone de dos placas metálicas muy juntas entre sí se establece una cavidad en la que las fluctuaciones del interior, al sentirse constreñidas, producen menor presión de radiación que las fluctuaciones del exterior. El resultado es que aparece una fuerza neta que junta las placas.
La fuerza de Casimir es muy débil y sólo es lo suficientemente intensa cuando la distancia entre superficies es del orden de la micra o menor. Sin embargo, es precisamente a esas distancias a las que están estructurados los dispositivos nanomecánicos y la fuerza de Casimir es la responsable de la aparición de fricción en estos dispositivos.
Leonhardt y Philbin han calculado que si se interpone un metamaterial entre las placas metálicas la fuerza cambia de sentido y se torna repulsiva. Los metamateriales de índice negativo (producen la refracción en sentido contrario al habitual) no existen en la naturaleza, y de hecho no se pueden crear a partir de cristal o vidrio. Son sistemas activos estructurados a la escala de la longitud de onda en la que trabajan que fuerzan a las ondas electromagnéticas a actuar en sentido contrario al natural.
El metamaterial sería capaz de modificar las oscilaciones del vacío en la cavidad establecida por las placas del efecto Casimir. La fuerza sería lo suficientemente intensa como para hacer levitar un espejo de aluminio de 500nm de grosor, que flotaría sobre una lente de metamaterial dispuesta sobre una placa metálica.
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| La fuerza de Casimir por unidad de área es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la distancia entre placas. |
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Si se pudiera controlar el efecto Casimir en dispositivos nanomecánicos se podría controlar la fricción de estos sistemas. Un dispositivo de este tipo es, por ejemplo, el que hace saltar los airbags de un automóvil en caso de colisión.
Los metamateriales no son fáciles de confeccionar, aunque ya se han fabricado algunos prototipos de lentes de índice negativo en la gama de las microondas habrá que espera algunos años hasta que se pueda demostrar experimentalmente el efecto Casimir inverso usando estos materiales.
Por otro lado Umar Mohideen y sus colaboradores de University of California en Riverside ha conseguido manipular la fuerza de Casimir mediante el aumento de la reflectividad de una de las placas, de tal modo que refleja partículas virtuales del vacío más eficientemente. Modificar la intensidad de esta fuerza sería el primer paso a invertirla.
Federico Capasso de Harvard University en Boston y sus colaboradores han realizado cálculos sobre cómo modificar también esta fuerza mediante la introducción de un dieléctrico entre las «placas». En este caso, y según sus resultados muestran, una esfera de poliestierno de 42 micras recubierta de oro levitaría sobre una placa de teflón si ambos están inmersos en etanol. Los experimentos preliminares de Capasso (aún sin publicar pero expuestos el pasado junio en un congreso) parecen demostrar que efectivamente el efecto Casimir inverso o repulsivo existe.
No sería el primer caso de levitación que se da en la Física. El efecto Meissner hace levitar un imán o un superconductor. Incluso se hizo levitar una rana con un potentísimo campo magnético. Sin embargo, la posibilidad de crear una alfombra mágica es absolutamente remota.
Una posibilidad fascinante de utilización de las fluctuaciones del vacío, aunque altamente especulativa, sería prescindir de la cavidad y crear una placa que trabajara como una especie de «diodo del vacío» con presión de radiación distinta a cada lado. Una superficie hipotética de este tipo con la suficiente extensión podría propulsar una nave espacial hasta velocidades relativistas.
Fuentes y referencias:
Nota de prensa de University of St Andrews. [1]
Nanotechweb. [2]
Artículo en ArXiv. [3]
Artículo de Umar Mohideen. [4]