Fricción cuántica : disipación inducida por las fluctuaciones de vacío

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En este trabajo estudiamos las manifestaciones macroscópicas de las fluctuacionescuánticas de vacío, en particular el efecto conocido como la fricción de Casimir, ofricción cuántica. Este fenómeno se produce cuando dos cuerpos son puestos en movimientorelativo (incluso a velocidad constante), y se o...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Farias, María Belén
Formato: Tesis Doctoral
Lenguaje:Español
Publicado: 2016
Materias:
EFECTO CASIMIR
TEORIA CUANTICA DE CAMPOS
FRICCION CUANTICA
INTEGRALES FUNCIONALES
DECOHERENCIA
CASIMIR EFFECT
QUANTUM FIELD THEORY
QUANTUM FRICTION
FUNCTIONAL METHODS
DECOHERENCE
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6190_Farias
Aporte de:
Biblioteca Digital - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA) de Universidad de Buenos Aires
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description En este trabajo estudiamos las manifestaciones macroscópicas de las fluctuacionescuánticas de vacío, en particular el efecto conocido como la fricción de Casimir, ofricción cuántica. Este fenómeno se produce cuando dos cuerpos son puestos en movimientorelativo (incluso a velocidad constante), y se observa una fuerza disipativaactuando en sentido contrario al movimiento. Este efecto, al igual que el caso másestudiado de la fuerza atractiva entre dos placas neutras conocido como Efecto Casimir,es el resultado de una interacción efectiva entre los dos cuerpos, mediada porel campo electromagnético uctuante, que está presente aun cuando los cuerpos soneléctricamente neutros y no están en contacto (por esta razón, a la fricción cuánticatambién 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 uncampo escalar no masivo y luego extendemos nuestros cálculos al caso más realista enel que el campo de vacío es un campo de Maxwell no masivo. En cuanto a la geometríadel sistema, consideramos el caso de dos placas semi-infinitas, dos placas de espesorinfinitesimal (en ambos casos con velocidad relativa paralela a los planos), y un átomofrente a una placa dieléctrica moviéndose paralelo a la misma. Muchos de nuestrosresultados están expresados en función de las características del material que conformalas placas (o el átomo), por ejemplo su permitividad eléctrica є. Estudiamos con detallealgunos modelos específicos: el caso de un modelo microscópico en el que el materialestá descripto por un contínuo de osciladores armónicos desacoplados de frecuenciafija, y el caso de dos placas de materiales de Dirac bidimensionales (materiales cuyasexcitaciones de baja energía se comportan como fermiones de Dirac), particularmenteel 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 imaginariada cuenta de los efectos disipativos del sistema. Calculamos la parte imaginariade la acción efectiva in-out y encontramos que es no nula en un rango no despreciablede velocidades, encontrando la existencia de un umbral que depende de las magnitudescaracterísticas del sistema, a partir del cual comienza a haber disipación. Para elcaso de las dos placas conformadas por osciladores armónicos desacoplados, calculamosademás la acción efectiva CTP (Closed Time Path) o in-in, la que nos permiteobtener explícitamente el cuadritensor energía-momento y por lo tanto la fuerza defricción. En el caso de la partícula frente al plano, estudiamos además la decoherenciadel grado de libertad interno de la partícula, encontrando que la presencia de laplaca 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 placadieléctrica semi-infinita, moviéndose con velocidad constante pero en una direcciónarbitraria (acercándose al plano y con una componente paralela al mismo). Con lasherramientas de la teoría de perturbaciones dependientes del tiempo de la mecánicacuántica, calculamos la fuerza de fricción actuante sobre el átomo.
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spelling todo:tesis_n6190_Farias2023-10-03T13:05:58Z Fricción cuántica : disipación inducida por las fluctuaciones de vacío Quantum friction: dissipation induced by vacuum fluctuations Farias, María Belén EFECTO CASIMIR TEORIA CUANTICA DE CAMPOS FRICCION CUANTICA INTEGRALES FUNCIONALES DECOHERENCIA CASIMIR EFFECT QUANTUM FIELD THEORY QUANTUM FRICTION FUNCTIONAL METHODS DECOHERENCE En este trabajo estudiamos las manifestaciones macroscópicas de las fluctuacionescuánticas de vacío, en particular el efecto conocido como la fricción de Casimir, ofricción cuántica. Este fenómeno se produce cuando dos cuerpos son puestos en movimientorelativo (incluso a velocidad constante), y se observa una fuerza disipativaactuando en sentido contrario al movimiento. Este efecto, al igual que el caso másestudiado de la fuerza atractiva entre dos placas neutras conocido como Efecto Casimir,es el resultado de una interacción efectiva entre los dos cuerpos, mediada porel campo electromagnético uctuante, que está presente aun cuando los cuerpos soneléctricamente neutros y no están en contacto (por esta razón, a la fricción cuánticatambién 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 uncampo escalar no masivo y luego extendemos nuestros cálculos al caso más realista enel que el campo de vacío es un campo de Maxwell no masivo. En cuanto a la geometríadel sistema, consideramos el caso de dos placas semi-infinitas, dos placas de espesorinfinitesimal (en ambos casos con velocidad relativa paralela a los planos), y un átomofrente a una placa dieléctrica moviéndose paralelo a la misma. Muchos de nuestrosresultados están expresados en función de las características del material que conformalas placas (o el átomo), por ejemplo su permitividad eléctrica є. Estudiamos con detallealgunos modelos específicos: el caso de un modelo microscópico en el que el materialestá descripto por un contínuo de osciladores armónicos desacoplados de frecuenciafija, y el caso de dos placas de materiales de Dirac bidimensionales (materiales cuyasexcitaciones de baja energía se comportan como fermiones de Dirac), particularmenteel 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 imaginariada cuenta de los efectos disipativos del sistema. Calculamos la parte imaginariade la acción efectiva in-out y encontramos que es no nula en un rango no despreciablede velocidades, encontrando la existencia de un umbral que depende de las magnitudescaracterísticas del sistema, a partir del cual comienza a haber disipación. Para elcaso de las dos placas conformadas por osciladores armónicos desacoplados, calculamosademás la acción efectiva CTP (Closed Time Path) o in-in, la que nos permiteobtener explícitamente el cuadritensor energía-momento y por lo tanto la fuerza defricción. En el caso de la partícula frente al plano, estudiamos además la decoherenciadel grado de libertad interno de la partícula, encontrando que la presencia de laplaca 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 placadieléctrica semi-infinita, moviéndose con velocidad constante pero en una direcciónarbitraria (acercándose al plano y con una componente paralela al mismo). Con lasherramientas de la teoría de perturbaciones dependientes del tiempo de la mecánicacuántica, calculamos la fuerza de fricción actuante sobre el átomo. On this work we study one of the macroscopic manifestation of quantum vacuumfluctuations: Casimir friction, or quantum friction. This phenomenon is producedwhen 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, likethe more studied case of an attractive force acting between two neutral plates, knownas Casimir Effect, is the result of an effective interaction between the two bodies,mediated by the uctuating electromagnetic field, which is present even when bothbodies are electrically neutral and are not in contact (this is the reason why quantumfriction is also known as non-contact friction). Along this thesis we study these dissipative effects on different systems. Firstwe consider the simpler case of modelling the vacuum field with a non-massive scalarfield, and then we extend our calculations to the more realistic case where the vacuumfield is a non-massive Maxwell field. Concerning the geometry, we consider the caseof two semi-infinite plates, two plates with infinitesimal width, and an atom movingin front of a dielectric plane, with velocity parallel to the plate. Many of our resultsare 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 somespecific models: a microscopic model where the material is described by a continuum ofuncoupled harmonic oscillators, and the relevant case of 2D Dirac materials, graphenein 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 partaccounts for the dissipative effects on the system. We calculate the imaginary partof the in-out effective action, finding that it is non-vanishing in a wide range ofvelocities. 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 ofthe two plates modelled as a harmonic oscillators, we also calculate the CTP (closedtime path) or in-in eggective action, which allows us to explicitly obtain the energymomentumfour-tensor, and hence de frictional force. On the case of the particle infron of a plate, we have also studied the decoherence on the internal degree of freedomof the atom, ginding that the presence of the plate and the relative motion enhancethe (otherwise undetectable) decoherence effect due to the vacuum, making thempotentially 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 plateand with a component parallel to it). With the tools of quantum mechanics' timedependent perturbation theory, we calculate the frictional force acting on the atom. Fil: Farias, María Belén. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. 2016-10 Tesis Doctoral PDF Español info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6190_Farias

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