I sistemi fuori equilibrio termodinamico sono molto comuni in natura. Negli ultimi anni hanno attirato un'attenzione sempre crescente a causa della loro rilevanza per la fisica fondamentale e per le moderne nanotecnologie. In uno sforzo di collaborazione, il gruppo di ottica teorica e fotonica presso il Max-Born-Institut e la Humboldt-Universität zu Berlin insieme ai colleghi dell'Universität Potsdam, La Yale University e il Los Alamos National Laboratory ora riferiscono su nuove e dettagliate intuizioni fisiche sull'attrito quantistico di superficie atomica non in equilibrio.

Una particolare classe di fenomeni di non equilibrio è rappresentata dalle forze dinamiche di van der Waals/Casimir che agiscono tra gli atomi, molecole e superfici. Queste forze, la cui origine è profondamente radicata nella teoria quantistica, sono all'origine dell'attrito (quantistico) senza contatto tra due oggetti che, se separati da poche decine di nanometri, muoversi l'uno rispetto all'altro. Sfortunatamente, la descrizione quantitativa dettagliata dei sistemi di non equilibrio è piuttosto impegnativa e gli approcci più comuni si basano sul presupposto che le correzioni alle caratteristiche di equilibrio associate siano relativamente piccole. Però, la validità di queste procedure e delle relative approssimazioni è stata scarsamente verificata, limitando inevitabilmente l'attendibilità dei risultati.

In netto contrasto con le ipotesi ampiamente accettate che dominano la letteratura esistente, i ricercatori hanno dimostrato che l'approssimazione dell'equilibrio termico locale (LTE), che tratta i sottosistemi interagenti in un sistema generale di non equilibrio come localmente in equilibrio con il loro ambiente immediato, fallisce drammaticamente quando viene applicato allo studio dell'attrito quantistico.

Utilizzando argomenti statistici quantistici generali e modelli esattamente risolvibili, i ricercatori hanno determinato che l'approssimazione LTE sottostima l'entità della forza di resistenza di circa l'80%. Considerando che l'approssimazione LTE è stata il cavallo di battaglia per la descrizione teorica di molti fenomeni di non equilibrio, che vanno dal trasporto di energia termica alle forze di dispersione di non equilibrio, questi risultati dimostrano che i calcoli basati su LTE mancano di una giustificazione rigorosa e devono essere riesaminati.

Oltre ad affrontare questioni fondamentali nel campo altamente interdisciplinare delle forze di van der Waals/Casimir, questi nuovi risultati avranno un impatto considerevole su molte altre applicazioni di attuale interesse nella fisica del non equilibrio, come trappole miniaturizzate per gas ultrafreddi (chip atomici), sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) e trasferimento di calore radiativo in campo vicino. Del tutto, questo lavoro fornisce un'analisi quantitativa le cui conclusioni rappresentano un sostanziale progresso nella comprensione della fisica quantistica di non equilibrio.