Représentation schématique de la différence entre l'approximation de l'équilibre thermique local (a) et la description complète du non-équilibre (b) pour le frottement quantique. Dans le premier cas, on suppose que l'atome et la surface sont séparément en équilibre thermique avec leurs environnements locaux immédiats. Cependant, les corrélations quantiques entre l'atome et la surface (représentées graphiquement par les flèches noires en (b)) conduisent à un échec de cette approximation, ce qui sous-estime l'ampleur du frottement quantique d'environ 80%. Crédit :MBI
Les systèmes hors d'équilibre thermodynamique sont très courants dans la nature. Ces dernières années, ils ont attiré une attention croissante en raison de leur pertinence pour la physique fondamentale ainsi que pour la nanotechnologie moderne. Dans un effort de collaboration, le groupe Optique théorique et photonique du Max-Born-Institut et de la Humboldt-Universität zu Berlin avec des collègues de l'Universität Potsdam, L'Université de Yale et le Laboratoire national de Los Alamos rapportent maintenant de nouvelles informations physiques détaillées sur le frottement quantique atome-surface hors d'équilibre.
Une classe particulière de phénomènes de non-équilibre est représentée par les forces dynamiques de van der Waals/Casimir agissant entre les atomes, molécules et surfaces. Ces forces, dont l'origine est profondément enracinée dans la théorie quantique, sont à l'origine de frottements sans contact (quantiques) entre deux objets qui, lorsqu'ils sont séparés de quelques dizaines de nanomètres, se déplacer les uns par rapport aux autres. Malheureusement, la description quantitative détaillée des systèmes hors équilibre est plutôt difficile et les approches les plus courantes reposent sur l'hypothèse que les corrections apportées aux caractéristiques d'équilibre associées sont relativement faibles. Cependant, la validité de ces procédures et des approximations correspondantes n'a guère été vérifiée, limitant inévitablement la fiabilité des résultats.
Contrairement aux hypothèses largement acceptées qui dominent la littérature existante, les chercheurs ont montré que l'approximation de l'équilibre thermique local (LTE), qui traite les sous-systèmes en interaction dans un système général hors d'équilibre comme étant localement en équilibre avec leur environnement immédiat, échoue considérablement lorsqu'il est appliqué à l'étude du frottement quantique.
En utilisant des arguments statistiques quantiques généraux et des modèles exactement solubles, les chercheurs ont déterminé que l'approximation LTE sous-estime l'ampleur de la force de traînée d'environ 80 %. Considérant que l'approximation LTE a été le cheval de bataille pour la description théorique de nombreux phénomènes de non-équilibre, allant du transport d'énergie thermique aux forces de dispersion hors d'équilibre, ces résultats démontrent que les calculs basés sur le LTE manquent de justification rigoureuse et doivent être réexaminés.
En plus d'aborder des questions fondamentales dans le domaine hautement interdisciplinaire des forces van der Waals/Casimir, ces nouveaux résultats auront un impact considérable sur de nombreuses autres applications d'intérêt actuel en physique hors équilibre, tels que les pièges miniaturisés pour les gaz ultra-froids (puces à atomes), systèmes nano-électromécaniques (NEMS) et transfert de chaleur radiatif en champ proche. Tout à fait, ce travail fournit une analyse quantitative dont les conclusions représentent une avancée substantielle dans la compréhension de la physique quantique hors équilibre.
