El origen de las interacciones atractivas de largo alcance ha fascinado a los científicos durante siglos. La notable teoría corpuscular Fatio de Duillier-LeSage, introducida ya en 1690 y generalizada a las ondas electromagnéticas por Lorentz, propuso que, debido a su sombreado mutuo, dos partículas absorbentes en un campo de radiación isotrópica experimentan una fuerza atractiva similar a la de la gravedad, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Spitzer y Gamow introdujeron interacciones similares de "gravedad simulada" en el contexto de la formación de galaxias, pero su relevancia real en cosmología nunca se ha establecido de manera inequívoca. Un trabajo reciente demostró que la fuerza de interacción entre las partículas dieléctricas no absorbentes y los átomos en un campo de luz aleatorio isotrópico cuasimonocromático siempre presenta un comportamiento oscilatorio para distancias mayores que la longitud de onda de la luz. Elobjetivo principal de este trabajo es mostrar que, bajo condiciones resonantes específicas, estas fuerzas se convierten en fuerzas no oscilantes, atractivas e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia.
La interacción entre dos objetos generalmente se define como de largo alcance si la fuerza decae con su distancia. La gravedad es un ejemplo típico de una fuerza atractiva de largo alcance en tres dimensiones, mientras que la interacción entre dipolos eléctricos o magnéticos está en el límite entre la atracción de corto y largo alcance. Por el contrario, las fuerzas de dispersión entre moléculas no polarizadas o neutrales y partículas son de corto alcance: a distancias cortas, la interacción de Coulomb entre los momentos dipolo eléctricos fluctuantes conduce a la energía de interacción Van deer Waals-London. Sin embargo, cuando la distancia es mayor que una longitud de onda de resonancia característica λF, los efectos de retardo se vuelven importantes ya que los momentos dipolares fluctúan muchas veces durante el período que la luz necesita para pasar entre las partículas. La energía de interacción varía entonces como mostraron Casimir y Polder por primera vez. Estas interacciones también pueden derivarse como un caso especial de la teoría de la atracción de Lifshitz entre cuerpos macroscópicos inducidos por fluctuaciones cuánticas de equilibrio y de campos electromagnéticos térmicos.
En los últimos años ha habido un creciente interés en comprender los análogos de no-equilibrio de las fuerzas de Casimir que surgen en la interacción entre cuerpos a diferentes temperaturas, como los inducidos por la radiación del cuerpo negro de una fuente caliente en átomos y nanopartículas. Sorprendentemente, se predijeron y demostraron experimentalmente interacciones de largo alcance entre átomos o partículas dieléctricas no absorbentes en un campo aleatorio fluctuante cuasimonocromático para partículas micronizadas. Aunque el rango efectivo de interacción puede ser controlado por el ancho de banda espectral del campo fluctuante, la existencia de fuerzas de interacción tridimensionales, similares a la gravedad, inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia, aún no se había demostrado. Para distancias de separación pequeñas, las interacciones similares a la gravedad se predijeron primero mediante cálculos de electrodinámica cuántica (QED) para átomos y moléculas y luego mediante un enfoque clásico sobre nanopartículas de Rayleigh que conducen a resultados análogos. En estos estudios, la parte imaginaria de la polarización no se incluyó en los cálculos o se tuvo en cuenta, pero se consideró insignificante; es decir, se descuidaron los efectos de la presión de radiación. Sin embargo, como se analiza a continuación, estos efectos dominan las interacciones de campo cercano de partículas no absorbentes, lo que lleva a una ley de interacción diferente.
En este artículo publicado en Physical Review Letters, y en el que ha participado el investigador Ikerbasque del DIPC Juan José Sáenz, se demuestra que, en contraste con los átomos o las partículas dieléctricas, la fuerza de interacción entre dos moléculas resonantes idénticas o nanopartículas plasmónicas, cuya extinción de la sección transversal está dominada por la absorción, puede seguir una verdadera ley inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde distancias de separación de campo tanto cercano como lejano. En sus celebradas "Lectures on Theoretical Physics", Lorentz ya sugirió que las interacciones electrodinámicas en presencia de absorción podrían conducir a una fuerza de interacción de la ley del cuadrado inverso similar a la teoría corpuscular original de Fatio-Lesage. Sin embargo, en este artículo se muestra que la ley no oscilante ideal solo se puede lograr cuando la frecuencia del campo aleatorio se ajusta a la resonancia de Fröhlich de las partículas.
Para más información: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.143201
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