Casimir-Effekt der Quantenfeldtheorie für zwei Kugeln im Nicht-Gleichgewicht
Final Report Abstract
Auf kleinen Längenskalen gelten oft andere Gesetze als uns von großen Längenskalen geläufig sind. So gibt es Wechselwirkungen zwischen kleinen Objekten, die wir aus dem Alltag nicht kennen. Werden zum Beispiel zwei Oberflächen bis auf einen Abstand von etwa einem μ-meter oder weniger gebracht, so erfahren sie eine Anziehungskraft, die von den Quantenfluktuationen des Elektromagnetischen Feldes hervorgerufen wird. Diese Kraft ist nach dem holländischen Physiker Hendrik Casimir benannt, der diese im Jahr 1948 theoretisch beschrieb. Experimentell wurde sie erstmals im Jahr 1998 quantitativ bestätigt, und kann aufgrund stetig wachsender experimenteller Präzision immer genauer untersucht werden. Da schon heute (industrielle) Bauteile oftmals wenige μ-meter groß sind, spielen diese Kräfte unter anderem für technologische Anwendungen eine Rolle. Eine weiteres Phänomen, das auf kleinen Längenskalen unerwartete Eigenschaften zeigt, ist der Wärmeübertrag durch Strahlung: Sind die Objekte im Nichtgleichgewicht, d.h. haben sie verschiedene Temperaturen, so gibt der wärmere der Körper an den kälteren Energie ab. Während uns dieser Wärmeübertrag durch Strahlung vertraut ist (ein Heizkorper wärmt uns unter anderem durch Wärmestrahlung), gehorcht er auf kleinen Längenskalen völlig anderen Gesetzen, und ist dort auch deutlich stärker. Aufgrund der oben genannten Entwicklungen in experimenteller Präzision kann diese Wärmestrahlung auf kleinen Skalen heutzutage ebenfalls genau gemessen werden. Das Projekt “Casimir-Effekt der Quantenfeldtheorie im Nicht-Gleichgewicht”, unterstützt durch ein Forschungsstipendium der Deutschen Forschungsgemeinschaft, wurde bei Prof. Mehran Kardar am Massachusetts Institute of Technology durchgeführt. Dabei wurde eine theoretische Methode entwickelt, um oben genannte Phänomene zu berechnen und zu verstehen. Dabei ergab sich eine Fülle unerwarteter Vorhersagen: Während sich zum Beispiel kleine Teilchen im Gleichgewicht ausschließlich anziehen, konnen sie sich in Nichtgleichgewichtssituationen ebenfalls abstoßen, sodass Levitation durch Casimir-Kräfte möglich ist. Im Bereich der Wärmestrahlung konnten experimentell messbare Vorhersagen gemacht werden. Zum Beispiel wurde eine im Rahmen des Projektes erstellte theoretische Vorhersage für die Abstrahlung eines sehr dünnen (Nano-)Zylinders erst kürzlich (im Jahr 2013) experimentell bestätigt.
Publications
- Non-equilibrium Casimir forces: Spheres and sphere-plate. Europhys. Lett. 95, 21002 (2011)
M. Krüger, T. Emig, G. Bimonte, and M. Kardar
- Non-equilibrium electromagnetic fluctuations: Heat transfer and interactions. Phys. Rev. Lett. 106, 210404 (2011)
M. Krüger, T. Emig, and M. Kardar
- Heat radiation from long cylindrical objects. Phys. Rev. E 85, 046603 (2012).
V. A. Golyk, M. Krüger, and M. Kardar
- Trace formulas for nonequilibrium casimir interactions, heat radiation, and heat transfer for arbitrary objects. Phys. Rev. B 86, 115423, (2012)
M. Krüger, G. Bimonte, T. Emig, and M. Kardar
