Systemen die niet in thermodynamisch evenwicht zijn, komen veel voor in de natuur. De laatste jaren krijgen ze steeds meer aandacht vanwege hun relevantie voor zowel de fundamentele fysica als voor de moderne nanotechnologie. In een gezamenlijke inspanning, de groep Theoretical Optics and Photonics aan het Max-Born-Institut en Humboldt-Universität zu Berlin samen met collega's van de Universität Potsdam, Yale University en het Los Alamos National Laboratory rapporteren nu over gedetailleerde nieuwe fysieke inzichten van niet-evenwichtige kwantumwrijving op het atoomoppervlak.

Een bepaalde klasse van niet-evenwichtsverschijnselen wordt weergegeven door dynamische van der Waals/Casimir-krachten die tussen atomen werken, moleculen en oppervlakken. Deze krachten, waarvan de oorsprong diep geworteld is in de kwantumtheorie, zijn aan de oorsprong van contactloze (kwantum) wrijving tussen twee objecten die, wanneer gescheiden door enkele tientallen nanometers, ten opzichte van elkaar bewegen. Helaas, de gedetailleerde kwantitatieve beschrijving van niet-evenwichtssystemen is nogal uitdagend en de meest gebruikelijke benaderingen zijn gebaseerd op de veronderstelling dat correcties op de bijbehorende evenwichtskenmerken relatief klein zijn. Echter, de geldigheid van deze procedures en van de bijbehorende benaderingen is nauwelijks geverifieerd, waardoor de betrouwbaarheid van de resultaten onvermijdelijk wordt beperkt.

In schril contrast met algemeen aanvaarde veronderstellingen die de bestaande literatuur domineren, de onderzoekers hebben aangetoond dat de lokale thermische evenwicht (LTE) benadering, die interagerende subsystemen in een algemeen niet-evenwichtssysteem behandelt als lokaal in evenwicht met hun directe omgeving, faalt dramatisch wanneer toegepast op de studie van kwantumwrijving.

Met behulp van algemene kwantumstatistieken en exact oplosbare modellen, de onderzoekers stelden vast dat de LTE-benadering de grootte van de weerstandskracht met ongeveer 80% onderschat. Aangezien de LTE-benadering het werkpaard is geweest voor de theoretische beschrijving van veel niet-evenwichtsverschijnselen, variërend van thermisch energietransport tot niet-evenwichtsverspreidingskrachten, deze resultaten tonen aan dat op LTE gebaseerde berekeningen geen rigoureuze rechtvaardiging hebben en opnieuw moeten worden onderzocht.

Naast het aanpakken van fundamentele vragen in het zeer interdisciplinaire veld van de Van der Waals/Casimir-troepen, deze nieuwe resultaten zullen een aanzienlijke impact hebben op vele andere toepassingen van huidig ​​belang in niet-evenwichtsfysica, zoals geminiaturiseerde vallen voor ultrakoude gassen (atoomchips), nano-elektromechanische systemen (NEMS) en stralingswarmteoverdracht in het nabije veld. Allemaal samen, dit werk biedt een kwantitatieve analyse waarvan de conclusies een aanzienlijke vooruitgang betekenen in het begrip van niet-evenwichtsquantumfysica.