Sistemas fora de equilíbrio termodinâmico são muito comuns na natureza. Nos últimos anos, eles têm atraído atenção cada vez maior por causa de sua relevância para a física fundamental, bem como para a nanotecnologia moderna. Em um esforço colaborativo, o grupo Teórico de Óptica e Fotônica no Max-Born-Institut e Humboldt-Universität zu Berlin junto com colegas da Universität Potsdam, A Universidade de Yale e o Laboratório Nacional de Los Alamos agora relatam novas percepções físicas detalhadas do atrito quântico entre a superfície do átomo e o desequilíbrio.

Uma classe particular de fenômenos de não equilíbrio é representada por forças dinâmicas de van der Waals / Casimir agindo entre átomos, moléculas e superfícies. Essas forças, cuja origem está profundamente enraizada na teoria quântica, estão na origem do atrito sem contato (quântico) entre dois objetos que, quando separados por algumas dezenas de nanômetros, movem-se em relação uns aos outros. Infelizmente, a descrição quantitativa detalhada de sistemas de não equilíbrio é bastante desafiadora e as abordagens mais comuns baseiam-se na suposição de que as correções para as características de equilíbrio associadas são relativamente pequenas. Contudo, a validade desses procedimentos e das aproximações correspondentes mal foi verificada, limitando inevitavelmente a confiabilidade dos resultados.

Em total contraste com as suposições amplamente aceitas que dominam a literatura existente, os pesquisadores mostraram que a aproximação do equilíbrio térmico local (LTE), que trata os subsistemas interagentes em um sistema geral de desequilíbrio como estando localmente em equilíbrio com seu ambiente imediato, falha dramaticamente quando aplicada ao estudo do atrito quântico.

Usando argumentos estatísticos quânticos gerais e modelos exatamente solucionáveis, os pesquisadores determinaram que a aproximação LTE subestima a magnitude da força de arrasto em aproximadamente 80%. Considerando que a aproximação LTE tem sido o carro-chefe para a descrição teórica de muitos fenômenos de desequilíbrio, variando de transporte de energia térmica a forças de dispersão de desequilíbrio, esses resultados demonstram que os cálculos baseados em LTE carecem de justificativa rigorosa e precisam ser reexaminados.

Além de abordar questões fundamentais no campo altamente interdisciplinar das forças de van der Waals / Casimir, esses novos resultados terão um impacto considerável em muitas outras aplicações de interesse atual em física de não equilíbrio, como armadilhas miniaturizadas para gases ultra-frios (chips atômicos), sistemas nanoeletromecânicos (NEMS) e transferência de calor por radiação de campo próximo. Completamente, este trabalho fornece uma análise quantitativa cujas conclusões representam um avanço substancial na compreensão da física quântica de não equilíbrio.