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15/ 01/ 2010

Contrôler la force (quantique) de Casimir

Des scientifiques du département américain de Argonne National Laboratory ont développé une méthode pour contrôler la force de Casimir. Il s'agit d'une force typiquement quantique ; la force du vide.

Catégorie	Niveau de difficulté de compréhension
Phys-Chimie	difficile

La force de Casimir (ou « Effet Casimir ») est nommée ainsi, non pas pour flatter un grand mangeur de Gloubi-Boulga, mais en hommage à celui qui l'a découverte théoriquement dans les années 50 après avoir probablement mangé trop de fromage hallucinogène à la cafétéria de chez Phillips : Hendrik Casimir.

Ce Monsieur Casimir travaillait chez Philipps sur les solutions colloïdales (des particules en suspension dans un liquide, le lait par ex ; http://fr.wikipedia.org/wiki/Collo%C3%AFde) qui fascinaient tant notre regretté prix Nobel Pierre Gilles de Gènes (je vous conseille son ouvrage “Les objets fragiles” au passage).

On posa une colle à ce Casimir.

Casimir a planché sur le problème et découvert cette “force de fluctuations du vide”.

Ce n'est que plus tard qu'on a pu vérifier pratiquement son existence si improbable grâce à certaines expériences.

Vous n'avez probablement pas souvent entendu parler d'elle et pour cause : il s'agit d'une force extrêmement faible qui ne nous concerne pas vraiment dans la vie de tous les jours ...

Son aspect fascinant est toutefois qu'elle apparaît là ou l'attend évidemment le moins : dans le vide.

Casimir a eu cette idée : remplacer des molécules par des plaques (théoriques). Il suffit de placer deux plaques (on prend la précaution qu'elles ne soient pas chargées électriquement) type miroirs très fins (afin de négliger l'attraction gravitationnelle entre elles) et très proches l'une de l'autre (de l'ordre du micron).

Éliminons l'effet de la gravitation dans ce cadre.

Elles vont alors avoir tendance à se rapprocher l'une de l'autre !

On a donc rapidement donné un surnom à ce phénomène : la « force du vide ».

Le “truc de ouf” est que du point de vue de la théorie de la mécanique quantique, le vide n'est pas vraiment vraiment “vide”.

Ce vide (de toutes particules) est soumis à “fluctuations” de champs électromagnétiques autour d'une valeur moyenne nulle.

Ces fluctuations sont réelles et ne sont pas des notions abstraites nées de l'imagination fertile de physiciens.

Elles ont une conséquence VISIBLE dans une expérience simple.

Ainsi, un exemple simple : un atome dans un état excité va rapidement revenir à son état d'énergie de niveau le plus bas en émettant un photon.

C'est provoqué en réalité par des fluctuations.

Si ces perturbations n'existaient pas, l'atome serait “figé” dans un équilibre parfait et ne pourrait émettre ce photon : la fluctuation donne le tout petit coup de pouce.

C'est un peu comme si vous arriviez à mettre un crayon verticalement en l'air sur sa pointe et que votre maîtrise est parfaite. Un petit courant d'air permettrait de faire tomber le crayon.

Notre “vide” contient ainsi des “particules virtuelles” (http://fr.wikipedia.org/wiki/Particule_virtuelle), soit pour caricaturer des particules éphémères qui apparaissent spontanément (et oui, la génération spontanée existe bien !) et disparaissent tout aussi vite ainsi que des champs électromagnétiques fluctuants.

Ces particules poussent les plaques des deux côtés (à l'intérieur et à l'extérieur).

Toutefois, toutes les particules virtuelles (qui sont aussi des ondes) ne sont pas possibles dans l'espace entre les deux plaques (alors qu'à l'extérieur, si !). Cela fait appel à la notion de résonance (voir notre dossier : ) que l'on retrouve dans les instruments de musique.

Cela résulte en une différence de pression et cela fait rapprocher les plaques l'une vers l'autre.

Vous aurez une explication plus détaillée sur la raison de son apparition dans la vidéo ci-contre. Cela a avoir avec ce que l'on nomme l' « énergie du vide ».

2 miroirs d'une aire de 1 cm2 chacun qui sont séparés d'un micromètre vont être attiré par une force de casimir de 10-7 Newtons ; c'est grosso-modo le poids d'une gouttelette d'eau d'un demi-millimètre de diamètre.

Cette découverte pourrait rester anecdotique et n'intéresser que les étudiants de mécanique quantique mais elle reprend de l'importance depuis qu'on développe les nanotechnologies.

En effet, à cette échelle, la moindre perturbation peut semer le trouble. Cette force peut donc intervenir à cette échelle.

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On peut aussi vouloir s'en servir comme outil de déplacement ou contre-carrer d'autres forces comme celles de Van Der Waals qui contribuent à ce que les physiciens nomment “stiction” (http://en.wikipedia.org/wiki/Stiction).

Or, après les MEMS qui sont des mécanismes à l'échelle du micro-mètre, les scientifiques essaient de pousser plus loin avec les NEMS (rien à voir avec une spécialité chinoise, bandes d'affamés !) : http://fr.wikipedia.org/wiki/Nanosyst%C3%A8me_%C3%A9lectrom%C3%A9canique

Le but des chercheurs est donc de contrôler cette force non seulement pour ses propriétés attractives mais pour la rendre également répulsive.

Une force répulsive qui agirait à l'échelle du nanomètre permettrait de réaliser des mécanismes sans friction, en tirant parti d'une sorte de “nanolévitation”.

Source 1 :Actualité originale (pop-up, anglais)

Complément 1 :Superbe image et illustration de l'effet Casimir (APOD) (pop-up, anglais)

Complément 2 :Très bon document PDF sur l'historique de la découverte (pop-up, anglais)

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