Nova abordagem no estudo das interacções gravitacionais (simuladas)

A origem das interacções atractivas de longo alcance tem fascinado os cientistas durante séculos. A notável teoria da Fatio corpuscular Duillier-LeSage, introduzida já em 1690 e generalizada às ondas electromagnéticas por Lorentz, propôs que, devido à sua sombra mútua, duas partículas absorventes num campo de radiação isotrópica experimentem uma força atractiva semelhante à da gravidade, inversamente proporcional ao quadrado da distância. Spitzer e Gamow introduziram interacções semelhantes de “gravidade simulada” no contexto da formação de galáxias, mas a sua real relevância em cosmologia nunca foi inequivocamente estabelecida. Trabalhos recentes mostraram que a força de interacção entre partículas dieléctricas não absorventes e átomos num campo de luz quase monocromático isotrópico aleatório apresenta sempre um comportamento oscilatório para distâncias maiores do que o comprimento de onda da luz. O principal objectivo deste trabalho é mostrar que, em condições ressonantes específicas, estas forças se tornam não oscilantes, atractivas e inversamente proporcionais ao quadrado da distância.

A interacção entre dois objectos é geralmente definida como de longo alcance se a força decair com a sua distância. A gravidade é um exemplo típico de uma força de atracção de longo alcance em três dimensões, enquanto a interacção entre dipolos eléctricos ou magnéticos está na fronteira entre a atracção de curto alcance e de longo alcance. Em contraste, as forças de dispersão entre moléculas e partículas não polarizadas ou neutras são de curto alcance: a curtas distâncias, a interacção Coulomb entre momentos dipolo eléctricos flutuantes leva à energia de interacção Van deer Waals-London. Contudo, quando a distância é maior do que um comprimento de onda de ressonância característica λF, os efeitos de atraso tornam-se importantes à medida que os momentos dipolo flutuam muitas vezes durante o período em que a luz precisa de passar entre as partículas. A energia de interacção varia então como Casimir e Polder mostraram pela primeira vez. Estas interacções também podem ser derivadas como um caso especial da teoria de Lifshitz da atracção entre corpos macroscópicos induzida por flutuações quânticas de equilíbrio e campos electromagnéticos térmicos.

Nos últimos anos tem havido um interesse crescente em compreender análogos não-equilibrios de forças Casimir que surgem na interacção entre corpos a diferentes temperaturas, tais como as induzidas pela radiação de corpo negro de uma fonte quente em átomos e nanopartículas. Surpreendentemente, foram previstas interacções de longo alcance entre átomos ou partículas dieléctricas não absorventes num campo aleatório quase monocromático flutuante e experimentalmente demonstradas para partículas micronizadas. Embora a gama eficaz de interacção possa ser controlada pela largura de banda espectral do campo flutuante, ainda não tinha sido demonstrada a existência de forças de interacção tridimensionais, semelhantes à gravidade, inversamente proporcionais ao quadrado da distância. Para pequenas distâncias de separação, as interacções de gravidade foram primeiro previstas por cálculos de electrodinâmica quântica (QED) para átomos e moléculas e depois por uma abordagem clássica sobre nanopartículas de Rayleigh, conduzindo a resultados análogos. Nestes estudos, a parte imaginária da polarização ou não foi incluída nos cálculos ou foi tomada em consideração, mas foi considerada insignificante; ou seja, os efeitos da pressão da radiação foram negligenciados. Contudo, como discutido abaixo, estes efeitos dominam as interacções de campo próximo de partículas não absorventes, levando a uma lei de interacção diferente.

Neste artigo publicado em Physical Review Letters, e no qual participou o investigador Juan José Sáenz da DIPC Ikerbasque, mostra-se que, em contraste com os átomos ou partículas dieléctricas, a força de interacção entre duas moléculas ressonantes idênticas ou nanopartículas plasmónicas, cuja extinção da secção transversal é dominada pela absorção, pode seguir uma verdadeira lei inversamente proporcional ao quadrado da distância tanto da distância de separação do campo próximo como do campo distante. Na sua célebre “Lectures on Theoretical Physics”, Lorentz já sugeria que as interacções electrodinâmicas na presença de absorção poderiam conduzir a uma força de interacção de lei quadrada inversa semelhante à teoria corpuscular Fatio-Lesage original. Contudo, neste artigo mostra-se que a lei ideal de não oscilação só pode ser alcançada quando a frequência do campo aleatório corresponde à ressonância Fröhlich das partículas.

Para mais informações: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.143201

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

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