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Effet Casimir : dans un fluide, ça marche aussi !

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L'effet Casimir est une célèbre conséquence de la mécanique quantique illustrant les notions de fluctuations quantiques du vide. Bien que son observation ne nécessite aucun dispositif expérimental exotique ou compliqué, il alimente beaucoup de spéculations à la frontière de la physique théorique. On le cite souvent lorsqu'on parle de possibles machines à créer des trous de vers ou capables d'exploiter l'énergie du vide quantique. Deux physiciens de Harvard ont étudié sa manifestation non plus dans le vide mais dans de l'éthanol. L'effet est bien là mais deux fois plus faible. Par contre cela pourrait ouvrir la voie à des dispositifs de mesures ultrasensibles.

Schéma du principe de l'effet Casimir et formule donnant la pression f entre les deux plaques. Notez les modifications des longueurs d'ondes des modes électromagnétiques fluctuant entre les plaques.

Hendrik Casimir ne s'imaginait sans doute pas la fortune que connaitrait  l'effet portant aujourd'hui son nom et qu'il avait prédit théoriquement en 1948 dans le domaine de la physique atomique. Physiquement, le phénomène est assez simple et se manifeste lorsqu'on rapproche deux plaques conductrices suffisamment l'une de l'autre.

Le vide est dominé par des fluctuations quantiques du champ électromagnétique à l'échelle d'énergie atomique, bien qu'en réalité des fluctuations quantiques de tous les champs de particules élémentaires doivent être prises en compte pour évaluer précisément son état, et que la gravitation quantique a des effets dominants aux échelles de la longueur et de l'énergie de Planck.

L'effet des deux plaques est de modifier le type de modes d'oscillations des fluctuations du champ électromagnétique, qui deviennent alors différentes en longueurs d'ondes par rapport à l'extérieur des plaques. Au final la densité d'énergie moyenne entre les plaques est différente de celle régnant à l'extérieur et une force apparaît tendant à rapprocher les deux plaques.

L'intérêt pour l'effet Casimir a été relancé lorsqu'on s'est aperçu qu'à part des effets hypothétiques en gravitation quantique, que ce soit en cosmologie ou en liaison avec les trous noirs et les trous de vers, il devrait se manifester très concrètement dans le cadre des nanotechnologies. La conception des nanomachines devrait en effet tenir compte de l'apparition de ce type de forces.

Effet Casimir dans un fluide

Jeremy Munday et Federico Capasso ont donc décidé d'étudier cet effet non plus dans le vide mais dans les fluides. Pour commencer, ils ont employé de l'éthanol dans lequel ils ont plongé une sphère de 40 micromètres de diamètre en polystyrène et recouverte d'une fine couche d'or. Le fond du récipient contenant l'éthanol étant lui aussi recouvert d'or, ils ont suspendu à distances variables de celui-ci la sphère précédente.

En illuminant avec un laser celle-ci, et en mesurant les caractéristiques de la lumière réfléchie, il devenait possible de déterminer les forces subies par la sphère. A partir d'une distance de 200 nm du fond du récipient, une force apparaissait subitement à un niveau mesurable. Il s'agissait de l'effet Casimir, mais la force mesurée était deux fois plus faible que dans le vide à la même distance.

En utilisant un fluide différent, d'attractive la force pourrait devenir répulsive et permettre la lévitation d'objets de tailles comparables à la sphère précédente. Toujours en utilisant un laser pour mesurer les forces s'exerçant sur un tel objet, on pourrait réaliser des capteurs extrêmement sensibles à des variations des forces en jeu. Une possibilité, que les auteurs de ce travail mentionnent, est ainsi de tester si la loi de Newton est toujours valable à des distances très courtes. Les théories avec des dimensions supplémentaires, comme la théorie des cordes, permettent en effet une modification de la loi en 1/r2 à ces distances.

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