Nuovo approccio nello studio delle interazioni gravitazionali (simulate)

L’origine delle interazioni attrattive a lungo raggio ha affascinato gli scienziati per secoli. La notevole teoria del Fatio corpuscolare di Duillier-LeSage, introdotta già nel 1690 e generalizzata alle onde elettromagnetiche da Lorentz, ha proposto che, a causa della loro ombra reciproca, due particelle assorbenti in un campo di radiazione isotropa sperimentano una forza attrattiva simile a quella della gravità, inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Spitzer e Gamow hanno introdotto simili interazioni di “gravità simulata” nel contesto della formazione delle galassie, ma la loro effettiva rilevanza in cosmologia non è mai stata stabilita in modo inequivocabile. Un lavoro recente ha dimostrato che la forza di interazione tra particelle dielettriche non assorbenti e atomi in un campo di luce casuale quasi monocromatico isotropo mostra sempre un comportamento oscillatorio per distanze superiori alla lunghezza d’onda della luce. L’obiettivo principale di questo lavoro è mostrare che, in specifiche condizioni di risonanza, queste forze diventano non oscillatorie, attraenti e inversamente proporzionali al quadrato della distanza.

L’interazione tra due oggetti è generalmente definita a lungo raggio se la forza decade con la loro distanza. La gravità è un tipico esempio di forza attrattiva a lungo raggio in tre dimensioni, mentre l’interazione tra dipoli elettrici o magnetici è al confine tra l’attrazione a corto e a lungo raggio. Al contrario, le forze di dispersione tra molecole e particelle non polarizzate o neutre sono a corto raggio: a brevi distanze, l’interazione Coulomb tra momenti di dipolo elettrico fluttuanti porta all’energia di interazione Van deer Waals-London. Tuttavia, quando la distanza è maggiore di una lunghezza d’onda di risonanza caratteristica λF, gli effetti di ritardo diventano importanti poiché i momenti di dipolo fluttuano molte volte durante il periodo in cui la luce deve passare tra le particelle. L’energia di interazione varia quindi come Casimir e Polder hanno mostrato per primi. Queste interazioni possono anche essere derivate come un caso speciale della teoria di Lifshitz dell’attrazione tra corpi macroscopici indotta da fluttuazioni quantistiche di equilibrio e campi elettromagnetici termici.

Negli ultimi anni c’è stato un crescente interesse nella comprensione degli analoghi di non-equilibrio delle forze di Casimir che sorgono nell’interazione tra corpi a temperature diverse, come quelle indotte dalla radiazione di corpo nero da una sorgente calda in atomi e nanoparticelle. Sorprendentemente, le interazioni a lungo raggio tra atomi o particelle dielettriche non assorbenti in un campo casuale fluttuante quasi monocromatico sono state previste e dimostrate sperimentalmente per particelle micronizzate. Anche se la gamma effettiva di interazione può essere controllata dalla larghezza di banda spettrale del campo fluttuante, l’esistenza di forze di interazione tridimensionali, simili alla gravità, inversamente proporzionali al quadrato della distanza non era ancora stata dimostrata. Per piccole distanze di separazione, le interazioni di tipo gravitazionale sono state previste prima da calcoli di elettrodinamica quantistica (QED) per atomi e molecole e poi da un approccio classico su nanoparticelle di Rayleigh che porta a risultati analoghi. In questi studi, la parte immaginaria della polarizzazione non è stata inclusa nei calcoli o è stata presa in considerazione, ma è stata considerata trascurabile; cioè, gli effetti della pressione di radiazione sono stati trascurati. Tuttavia, come discusso di seguito, questi effetti dominano le interazioni di campo vicino delle particelle non assorbenti, portando ad una legge di interazione diversa.

In questo articolo pubblicato su Physical Review Letters, e a cui ha partecipato il ricercatore del DIPC Ikerbasque Juan José Sáenz, si dimostra che, a differenza degli atomi o delle particelle dielettriche, la forza di interazione tra due molecole identiche risonanti o nanoparticelle plasmoniche, la cui estinzione della sezione trasversale è dominata dall’assorbimento, può seguire una vera legge inversamente proporzionale al quadrato della distanza sia da vicino che da lontano. Nelle sue celebri “Lectures on Theoretical Physics”, Lorentz aveva già suggerito che le interazioni elettrodinamiche in presenza di assorbimento potevano portare a una forza di interazione di legge quadratica inversa simile alla teoria corpuscolare originale di Fatio-Lesage. Tuttavia, in questo articolo si dimostra che la legge ideale non oscillante può essere raggiunta solo quando la frequenza del campo casuale corrisponde alla risonanza di Fröhlich delle particelle.

Per maggiori informazioni: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.143201

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.143201

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