System av termodynamisk jämvikt är mycket vanliga i naturen. Under de senaste åren har de väckt ständigt ökad uppmärksamhet på grund av deras relevans för grundläggande fysik såväl som för modern nanoteknik. I ett samarbete, gruppen Teoretisk optik och fotonik vid Max-Born-Institut och Humboldt-Universität zu Berlin tillsammans med kollegor från Universität Potsdam, Yale University och Los Alamos National Laboratory rapporterar nu om detaljerade nya fysiska insikter om kvantfriktion på atomytan utan jämvikt.

En särskild klass av icke-jämviktsfenomen representeras av dynamiska van der Waals/Casimir-krafter som verkar mellan atomer, molekyler och ytor. Dessa krafter, vars ursprung är djupt rotat i kvantteorin, har ursprunget till kontaktlös (kvant) friktion mellan två objekt som, när de separeras med några tiotals nanometer, rör sig relativt varandra. Tyvärr, den detaljerade kvantitativa beskrivningen av icke-jämviktssystem är ganska utmanande och de vanligaste metoderna bygger på antagandet att korrigeringar av de associerade jämviktsegenskaperna är relativt små. Dock, giltigheten av dessa förfaranden och motsvarande approximationer har knappt verifierats, oundvikligen begränsa resultatens tillförlitlighet.

I stark kontrast med allmänt accepterade antaganden som dominerar den befintliga litteraturen, forskarna har visat att approximationen av den lokala termiska jämvikten (LTE), som behandlar interagerande delsystem i ett allmänt jämviktssystem som lokalt i jämvikt med sin närmaste miljö, misslyckas dramatiskt när det tillämpas på studier av kvantfriktion.

Med hjälp av generella kvantstatistiska argument och exakt lösbara modeller, forskarna bestämde att LTE -approximationen underskattar dragkraftens storlek med cirka 80%. Med tanke på att LTE-approximationen har varit arbetshästen för den teoretiska beskrivningen av många icke-jämviktsfenomen, allt från termisk energitransport till icke-jämviktsdispersionskrafter, dessa resultat visar att LTE-baserade beräkningar saknar noggrann motivering och måste granskas på nytt.

Förutom att ta upp grundläggande frågor inom det mycket tvärvetenskapliga området för van der Waals/Casimirstyrkor, dessa nya resultat kommer att ha stor inverkan på många andra tillämpningar av aktuellt intresse för icke-jämviktsfysik, såsom miniatyriserade fällor för ultrakalla gaser (atomchips), nano-elektromekaniska system (NEMS) och strålningsvärmeöverföring nära fältet. Sammanlagt, detta arbete ger en kvantitativ analys vars slutsatser representerar ett betydande framsteg i förståelsen av icke-jämviktskvantfysik.