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Ver el documento (formato PDF)   Farias, María Belén.  "Fricción cuántica: disipación inducida por las fluctuaciones de vacío"  (2017-03-28)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
En este trabajo estudiamos las manifestaciones macroscópicas de las fluctuaciones cuánticas de vacío, en particular el efecto conocido como la fricción de Casimir, o fricción cuántica. Este fenómeno se produce cuando dos cuerpos son puestos en movimiento relativo (incluso a velocidad constante), y se observa una fuerza disipativa actuando en sentido contrario al movimiento. Este efecto, al igual que el caso más estudiado de la fuerza atractiva entre dos placas neutras conocido como Efecto Casimir, es el resultado de una interacción efectiva entre los dos cuerpos, mediada por el campo electromagnético uctuante, que está presente aun cuando los cuerpos son eléctricamente neutros y no están en contacto (por esta razón, a la fricción cuántica también se la denomina fricción sin contacto). A lo largo de esta tesis analizamos dichos efectos disipativos en distintos sistemas. En primer lugar consideramos el caso más simple en el que el campo de vacío es un campo escalar no masivo y luego extendemos nuestros cálculos al caso más realista en el que el campo de vacío es un campo de Maxwell no masivo. En cuanto a la geometría del sistema, consideramos el caso de dos placas semi-infinitas, dos placas de espesor infinitesimal (en ambos casos con velocidad relativa paralela a los planos), y un átomo frente a una placa dieléctrica moviéndose paralelo a la misma. Muchos de nuestros resultados están expresados en función de las características del material que conforma las placas (o el átomo), por ejemplo su permitividad eléctrica є. Estudiamos con detalle algunos modelos específicos: el caso de un modelo microscópico en el que el material está descripto por un contínuo de osciladores armónicos desacoplados de frecuencia fija, y el caso de dos placas de materiales de Dirac bidimensionales (materiales cuyas excitaciones de baja energía se comportan como fermiones de Dirac), particularmente el grafeno. Desarrollamos un formalismo funcional para la descripción de la fricción cuántica, donde nuestro principal objeto de estudio es la acción efectiva in-out, cuya parte imaginaria da cuenta de los efectos disipativos del sistema. Calculamos la parte imaginaria de la acción efectiva in-out y encontramos que es no nula en un rango no despreciable de velocidades, encontrando la existencia de un umbral que depende de las magnitudes características del sistema, a partir del cual comienza a haber disipación. Para el caso de las dos placas conformadas por osciladores armónicos desacoplados, calculamos además la acción efectiva CTP (Closed Time Path) o in-in, la que nos permite obtener explícitamente el cuadritensor energía-momento y por lo tanto la fuerza de fricción. En el caso de la partícula frente al plano, estudiamos además la decoherencia del grado de libertad interno de la partícula, encontrando que la presencia de la placa y el movimiento relativo aumenta los efectos de decoherencia propios del vacío, volviéndolos potenicalmente detectables experimentalmente. Paralelamente, estudiamos el problema de un átomo ubicado frente a una placa dieléctrica semi-infinita, moviéndose con velocidad constante pero en una dirección arbitraria (acercándose al plano y con una componente paralela al mismo). Con las herramientas de la teoría de perturbaciones dependientes del tiempo de la mecánica cuántica, calculamos la fuerza de fricción actuante sobre el átomo.

Abstract:
On this work we study one of the macroscopic manifestation of quantum vacuum fluctuations: Casimir friction, or quantum friction. This phenomenon is produced when two bodies are set in relative motion (even if the relative velocity is constant), where a frictional force acts on the bodies, opposed to the motion. This effect, like the more studied case of an attractive force acting between two neutral plates, known as Casimir Effect, is the result of an effective interaction between the two bodies, mediated by the uctuating electromagnetic field, which is present even when both bodies are electrically neutral and are not in contact (this is the reason why quantum friction is also known as non-contact friction). Along this thesis we study these dissipative effects on different systems. First we consider the simpler case of modelling the vacuum field with a non-massive scalar field, and then we extend our calculations to the more realistic case where the vacuum field is a non-massive Maxwell field. Concerning the geometry, we consider the case of two semi-infinite plates, two plates with infinitesimal width, and an atom moving in front of a dielectric plane, with velocity parallel to the plate. Many of our results are very general and expressed as a function of the material that conforms the plates (or the atom), for instance their electric permitivity є. We studied with detail some specific models: a microscopic model where the material is described by a continuum of uncoupled harmonic oscillators, and the relevant case of 2D Dirac materials, graphene in particular. We develop a functional approach to the description of the quantum friction, where our main object of study is the in-out effective action, whose imaginary part accounts for the dissipative effects on the system. We calculate the imaginary part of the in-out effective action, finding that it is non-vanishing in a wide range of velocities. We also find a threshold depending on the characteristic of the materials, and only fore velocities above that threshold we have dissipation. For the case of the two plates modelled as a harmonic oscillators, we also calculate the CTP (closed time path) or in-in eggective action, which allows us to explicitly obtain the energymomentum four-tensor, and hence de frictional force. On the case of the particle in fron of a plate, we have also studied the decoherence on the internal degree of freedom of the atom, ginding that the presence of the plate and the relative motion enhance the (otherwise undetectable) decoherence effect due to the vacuum, making them potentially experimentally detectable. We also study the problem of an atom in front of a dielectric semi-infinite plate, moving at a constant velocity but in an arbitrary direction (approaching the plate and with a component parallel to it). With the tools of quantum mechanics' time dependent perturbation theory, we calculate the frictional force acting on the atom.

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Registro:
Título : Fricción cuántica: disipación inducida por las fluctuaciones de vacío     =    Quantum friction: dissipation induced by vacuum fluctuations
Autor : Farias, María Belén
Director : Lombardo, Fernando
Consejero : Otero y Garzón, Gustavo
Jurados : Calzetta, Esteban  ; Falomir, Horacio  ; Saraceno, Marcos
Año : 2017-03-28
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Departamento de Física
Grado obtenido : Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Físicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_6190_Farias
Idioma : Español
Area Temática : Física / Teoría de Campos
Palabras claves : EFECTO CASIMIR; TEORIA CUANTICA DE CAMPOS; FRICCION CUANTICA; INTEGRALES FUNCIONALES; DECOHERENCIA; CASIMIR EFFECT; QUANTUM FIELD THEORY; QUANTUM FRICTION; FUNCTIONAL METHODS; DECOHERENCE
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