Misteriosas fuerzas cuánticas desveladas

Investigadores del MIT encuentran una forma de calcular los efectos de la fuerza de Casimir, ofreciendo un método para mantener separadas las partes de las micromáquinas.

Descubiertas en 1948, las fuerzas de Casimir son unas complejas fuerzas cuánticas que afectan sólo a objetos que están realmente cercanos. Son tan sutiles que durante la mayor parte desde los 60 años transcurridos desde su descubrimiento, los ingenieros las han ignorado sin problemas. Pero en la era de los diminutos dispositivos electromecánicos como acelerómetros en el iPhone o microespejos en los proyectores digitales, las fuerzas de Casimir se han erigido como algo problemático, dado que pueden provocar que las partes de las micromáquinas queden pegadas.
Investigadores del MIT han desarrollado una poderosa nueva herramienta para calcular los efectos de las fuerzas de Casimir, con ramificaciones en física básica y diseño de sistemas microelectromecánicos (MEMS). Uno de los descubrimientos más recientes de los investigadores es el uso de una nueva herramienta como forma de ordenar diminutos objetos de forma que las comúnmente atractivas fuerzas de Casimir de hagan repulsivas. Si los ingenieros pueden diseñar MEMS de forma que las fuerzas de Casimir eviten que se unan sus partes móviles – en lugar de provocar que se peguen – podrían reducir sustancialmente la tasa de error de los MEMS actuales. Esto podría también ayudar a facilitar nuevos dispositivos MEMS asequibles, como sensores médicos o científicos minúsculos, o dispositivos microfluídicos que permitan realizar cientos de experimentos químicos o biológicos en paralelo.
Presencia fantasmal
La mecánica cuántica ha dejado como legado una descripción muy extraña del universo a los físicos modernos. Una de sus características es un conjunto de nuevas partículas subatómicas que constantemente aparecen y desaparecen de la existencia en un lapso de tiempo casi indetectable. (El bosón de Higgs, una partícula predicha en la teoría que el Gran Colisionador de Hadrones en Suiza trata de detectar por primera vez, se espera que aparezca durante apenas unas pocas quintillonésimas de segundo). Hay tantas formas de estas partículas transitorias en el espacio – incluso en el vacío – moviéndose en tantas direcciones distintas que las fuerzas que ejercen básicamente se equilibran entre sí cancelándose. Para la mayor parte de propósitos, las partículas pueden ignorarse. Pero cuando los objetos se acercan mucho, hay muy poco espacio entre ellos para que las partículas que saltan a la existencia. Por consiguiente, hay menos partículas transitorias entre los objetos para contrarrestar las fuerzas ejercidas por las partículas a su alrededor, y la diferencia de presión termina empujando los objetos uno hacia el otro.
En la década de 1960, los físicos desarrollaron una fórmula matemática que, en principio, describe los efectos de las fuerzas de Casimir sobre un número de minúsculos objetos, con cualquier forma. Pero en la vasta mayoría de casos, esa fórmula es de una dificultad imposible de resolver. “La gente piensa que si tienes una fórmula, puedes evaluarla. Eso no es cierto en absoluto”, dice Steven Johnson, profesor asociado de matemáticas aplicadas, que ayudó a desarrollar las nuevas herramientas. “Hay una fórmula que fue descubierta por Einstein que describe la gravedad. Aún no saben cuáles son todas las consecuencias de esta fórmula”. Durante décadas, la fórmula de las fuerzas de Casimir estuvo en el mismo bote. Los físicos podían resolver sólo un pequeño número de casos, tales como los de dos placas paralelas. Entonces, en 2006, llegó un avance: El profesor de Física del MIT Mehran Kardar demostró una forma de resolver la fórmula para una placa y un cilindro.
Calculando lo incalculable
En un artículo que aparece esta semana en la revista Proceedings of the National Academies of Sciences, Johnson, los estudiantes de doctorado en física Alexander McCauley y Alejandro Rodriguez (autor principal del artículo), y John Joannopoulos, Profesor de Física Francis Wright Davis, describen una forma de resolver las ecuaciones de las fuerzas de Casimir para cualquier número de objetos con cualquier forma concebible.
La idea de los investigadores es que los efectos de las fuerzas de Casimir sobre objetos de 100 nanómetros de distancia pueden modelarse con precisión usando objetos 100 000 veces mayores y 100 000 veces más alejados, inmersos en un fluido que conduzca la electricidad. En lugar de calcular las fuerzas ejercidas por las diminutas partículas que saltan a la existencia, los investigadores calculan la fuerza del campo electromagnético en varios puntos alrededor de los objetos mayores. En su artículo, demuestran que estos cálculos son matemáticamente equivalentes.
Para objetos con formas extrañas, calcular la fuerza del campo electromagnético en un fluido conductor es bastante complejo. Pero es eminentemente factible usando software comercial de ingeniería.
“Analíticamente”, dice Diego Dalvit, especialista en fuerzas de Casimir en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, “es casi imposible realizar los cálculos exactos de las fuerzas de Casimir, a menos que tengas algunas geometrías muy especiales”. Con la técnica de los investigadores del MIT, no obstante, “en principio puedes abordar cualquier geometría. Y es útil. Muy útil”.
Dado que las fuerzas de Casimir pueden provocar que partes de los MEMS se unan, dice Dalvit, “Uno de los santos griales de la física de Casimir es encontrar geometrías donde puedas lograr repulsión” en lugar de atracción. Y esto es exactamente lo que la nueva técnica permitió hacer a los investigadores del MIT. En un artículo distinto publicado en marzo, el físico Michael Levin de la Sociedad de Profesores de la Universidad de Harvard, junto con los investigadores del MIT, describieron la primera configuración de materiales que permiten a las fuerzas de Casimir provocar repulsión en un vacío.
Dalvit apunta, no obstante, que los físicos que usen esta nueva técnica deben aún fiarse de la intuición cuando diseñen objetos pequeños con propiedades útiles. “Una vez tengas una idea de las geometrías que causarán la repulsión, entonces [la técnica] puede decirte si habrá o no dicha repulsión”, dice Dalvit. Pero por sí mismas, las herramientas no pueden identificar las geometrías que generan repulsión.

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