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L'effet Casimir répulsif : une aubaine pour les nanotechnologies

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Célèbre chez les physiciens, l'effet Casimir, dû aux mystérieuses fluctuations du vide quantique, se manifeste par une force d'attraction entre deux plaques métalliques très proches. Un groupe de physiciens vient d'observer ce même effet, mais inversé. Il devient ainsi répulsif pour la première fois. C'est l'effet Casimir-Lifshitz, qui pourrait un jour servir de lubrifiant en nanotechnologies...

Une vue d'artiste de l'effet répulsif Casimir–Lifshitz dans l'expérience de Federico Capasso et ses collègues. Crédit : Jay Penni-Federico Capasso

L'énergie du vide quantique fait rêver (c'est elle qui alimente les générateurs ZPM des Anciens dans la série Stargate Atlantis). De fait, la constante cosmologique est probablement un effet de cette énergie mais il n'y a pour le moment aucune indication que la technologie des Anciens de Stargate puisse un jour devenir une réalité...

Cependant, les effets de l'énergie du vide sont bien visibles en laboratoire depuis des décennies. C'est le célèbre effet Casimir, découvert théoriquement par un chercheur hollandais du nom de Hendrik Casimir en 1948. On l'explique souvent de la façon suivante.

Lorsque deux plaques métalliques sont rapprochées étroitement dans le vide, elles modifient les fluctuations d'énergie du champ électromagnétique qui se produisent partout dans l'espace. Ce faisant, une densité d'énergie moyenne différente apparaît entre les plaques, plus faible qu'à l'extérieur. Il en résulte une force de pression tendant à rapprocher les plaques.

L'effet Casimir apparaît lorsque l'espace est vide entre les deux plaques. Mais que se produit-il lorsqu'il est occupé par un milieu matériel possédant une constante diélectrique différente de celle du vide ?

Schémas de l'expérience de Federico Capasso (voir les explications dans le texte). Crédit : Nature

Un effet répulsif avec un bon choix de matériaux

Une réponse théorique a été apportée il y a longtemps déjà, en 1956, par Evgeny Mikhailovich Lifshitz, l'auteur avec Lev Landau du fameux cours de physique théorique. D'attractive, la force peut devenir répulsive... Mais jusqu'à présent, personne n'avait vérifié cette prédiction du grand théoricien russe à qui l'on doit d'importants travaux en relativité générale, dans le domaine de la cosmologie primordiale (perturbations en cosmologie, approche de la singularité initiale).

Aujourd'hui Federico Capasso et ses collègues de l'université d'Harvard publient dans Nature les résultats d'expériences portant sur l’effet Casimir–Lifshitz, dont le principe est simple.

On commence par recouvrir d'or, sur une épaisseur de 200 nm, une petite sphère en polystyrène de 40 micromètres de diamètre. On la fixe à l'extrémité du bras d'un microscope à force atomique puis elle est plongée dans un liquide, ici du bromobenzène, recouvrant lui-même une plaque de silice. Un faisceau laser est alors focalisé sur la sphère. Le moindre de ses mouvements se manifestera par des changements de la lumière laser réfléchie, un signal facile à analyser et permettant des mesures précises (schéma a de la figure).

D'après la théorie, du fait de l'existence d'une constante diélectrique différente entre d'un côté le liquide et de l'autre deux plaques métalliques, l'analogue de l'effet Casimir doit se produire. Si le liquide possède une constante diélectrique plus faible que l'une des plaques, mais plus forte que l'autre, il sera attiré différemment par les plaques et le bilan final des forces sera une répulsion entre les plaques.

Ici, le rôle des deux plaques est tenu par celle en silice et par le revêtement en or de la sphère de polystyrène. Les chercheurs ont fait varier la distance, de 20 nm à quelques centaines de nm, entre la sphère et une plaque de silice (schéma c) puis d'or (schéma b). Dans le premier cas, la force était répulsive (sphère et plaque ont des constantes diélectriques différentes) alors qu'elle était attractive avec la plaque d'or. L'effet Casimir-Lifshitz est donc bel et bien réel...

La nouvelle est d'importance dans le domaine des nanotechnologies. L'effet Casimir attractif, en effet, entraîne une difficulté supplémentaire pour réaliser des dispositifs de tailles très faibles, dont les éléments ont parfois tendance à s'agglutiner. Dans les MEMS par exemple (Micro Electro Mechanical Systems), systèmes mécaniques, les rouages se grippent facilement et on cherche encore le lubrifiant idéal. Un effet Casimir-Lifshitz répulsif pourrait jouer ce rôle, en exerçant une force importante dès que deux surfaces s'approcheraient trop.

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