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Léviter grâce à Casimir ?

L'une des forces attractives de la physique quantique – l'effet Casimir – peut, en certaines conditions, devenir répulsive. Une équipe américaine vient pour la première fois de le démontrer expérimentalement.

L’attraction de Casimir

Quand on évoque Casimir, on imagine d'abord un monstre gentil, orange, perché dans son île aux enfants, et dont la seule obsession est d'attirer la sympathie et les câlins de ses congénères. Quelques initiés penseront peut-être aussi à un physicien, Hendrik Casimir, qui en 1948 prédisait l'existence d'un effet qui allait porter son nom. Un effet qui, tout Casimir qu'il est, pousse deux miroirs placés à faible distance l'un de l'autre dans le vide à s'attirer. Et ce alors que rien ne semble les y pousser. Rien ? Enfin... pas tout à fait.

L'effet Casimir... Si, dans le vide, on place deux miroirs l'un en face de l'autre, on crée un interstice dans lequel les fluctuations quantiques ne peuvent se propager de la même façon qu'à l'extérieur. De cette différence naît une pression qui s'exerce sur les faces extérieures des miroirs. © d'après Wikimedia Commons

Car le vide justement, ce n'est pas rien : le vide est en fait plein, gorgé d'infimes fluctuations énergétiques. Aussi, si on place dans le vide deux miroirs l'un en face de l'autre, on crée un interstice dans lequel lesdites fluctuations ne peuvent se propager de la même façon qu'à l'extérieur. De cette différence naît une pression qui s'exerce sur les faces extérieures des miroirs : ceux-ci se retrouvent poussés l'un vers l'autre comme Casimir par une foule d'enfants sur son cousin Hippolyte.

Du particulier au général

Le physicien néerlandais Hendrik Casimir © BehnamFarid /GFDL

Peu après la découverte de cet effet en 1956, un autre physicien, Evgeny Lifshitz, généralise ce principe en montrant qu'à faible distance (nanométrique), deux objets s'attirent quand ils sont séparés par du vide, du liquide ou du gaz. L'intensité de cette force, qui a été observée à maintes reprises, tend à décroître avec la distance de séparation. Mais ce n'est pas tout. Car, d'après les calculs de Lifshitz, la force de Casimir peut aussi devenir répulsive et être à l'origine d'effets de lévitation. Pour autant, ce phénomène ne peut avoir lieu dans le vide. Prédit par la théorie, cette facette de l'effet Casimir vient d'être pour la première fois observée expérimentalement par une équipe américaine (J. Munday et al., Nature, 8 janvier 2008).

De l'or en lévitation

Une judicieuse association de matériaux Dans leur expérience, les chercheurs ont juxtaposé une plaque de silice (bleu), un liquide de bromobenzene (transparent) et une bille d'or (jaune). Ils ont alors observé que dans de telles conditions, l'or et la silice se repoussaient. © J. Munday et al.

Pour ce faire, il a suffi aux chercheurs de choisir trois matériaux adaptés. Et pour cause : d'après Lifshitz, le fait que la force de Casimir soit répulsive ou attractive est lié aux indices de réfraction* des trois composés en présence. Si la permittivité (l'indice de réfraction au carré) du matériau intermédiaire est comprise entre celle des deux composés extérieurs, alors l'effet Casimir devient répulsif. Comme aucun matériau ne peut avoir une permittivité inférieure à celle du vide, l'effet de lévitation n'est pas possible dans le vide. Par contre, la chose devient envisageable si le vide est remplacé par un gaz ou un liquide.

C'est exactement ce qu'ont fait les chercheurs américains en remplaçant le vide par du bromobenzène. Un liquide qu'ils ont encadré avec une plaque de silice et une bille d'or. A raison puisque la permittivité de l'or est inférieure à celle du bromobenzène qui est plus faible que celle de la silice. Les conditions de Lifshitz sont donc respectées. En conséquence, au lieu d'être attirée par la silice, la bille d'or s'est mise à flotter dans le bromobenzène. L'intensité de cette force répulsive a de plus augmenté lorsque l'on a tenté de rapprocher l'or de la silice.

* L'indice de réfraction permet de mesurer la façon dont un matériau dévie la lumière. S'il ne la dévie pas, ce qui est le cas du vide, alors cet indice est de 1.

Quel intérêt ?

Technique de mesure mise en place Dans leur expérience, les chercheurs ont mesuré la force de répulsion engendrée par l'effet Casimir en utilisant une diode luminescente. © Munday et al.

« L'intérêt de cette démonstration est d'abord scientifique, explique Serge Reynaud, chercheur au laboratoire Kastler Brossel du CNRS. L'équipe a mis des années pour réussir cette expérience car il s'agissait de mesurer des effets nanométriques. En soi, c'est déjà une prouesse technique. »

L'intérêt est ensuite technologique : l'effet Casimir, parce ce qu'il peut conduire deux nanocomposés distincts à se coller l'un à l'autre, est l'une des quelques plaies des nanosciences. Parvenir à le rendre répulsif pourrait de fait s'avérer pratique, intéressant... mais pas forcément essentiel. Car, dans les dispositifs technologiques, les effets de la force de Casimir sont d'ores et déjà contre-carrés par des techniques indirectes, basées le plus souvent sur l'électromagnétisme.

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