Obtenir quelque chose à partir de rien semble être une bonne affaire, ainsi, pendant des années, les scientifiques ont essayé d'exploiter la petite quantité d'énergie qui se produit lorsque des objets sont très rapprochés. C'est une source d'énergie si obscure qu'elle était autrefois considérée comme une source fantaisiste de « mouvement perpétuel ». Maintenant, une équipe de recherche comprenant des scientifiques de Princeton a trouvé un moyen d'exploiter une mystérieuse force de répulsion, qui est un aspect de cette force.

Cette énergie, prédit il y a sept décennies par le scientifique néerlandais Hendrik Casimir, résulte d'effets quantiques et peut être observé expérimentalement en plaçant deux plaques opposées très proches l'une de l'autre dans le vide. De près, les plaques se repoussent, ce qui pourrait être utile à certaines technologies. Jusque récemment, cependant, exploiter cette "force Casimir" pour faire quelque chose d'utile semblait impossible.

Une nouvelle puce de silicium construite par des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong et de l'Université de Princeton est une étape vers l'exploitation de la force Casimir. A l'aide d'un savant assemblage de formes micrométriques gravées dans les plaques, les chercheurs ont démontré que les plaques se repoussent lorsqu'elles sont rapprochées. La construction de cet appareil entièrement à partir d'une seule puce de silicium pourrait ouvrir la voie à l'utilisation de la force Casimir pour des applications pratiques telles que l'empêchement de petites pièces de machine de coller les unes aux autres. Les travaux ont été publiés dans le numéro de février de la revue Photonique de la nature .

L'énergie d'un vide

"C'est parmi les premières vérifications expérimentales de l'effet Casimir sur une puce de silicium, " a déclaré Alejandro Rodriguez, professeur adjoint de génie électrique à l'Université de Princeton, qui a fourni les calculs théoriques de l'appareil, qui a été construit par une équipe dirigée par Ho Bun Chan à l'Université des sciences et technologies de Hong Kong. "Et cela vous permet également de mesurer les forces dans des structures très peu triviales comme celles-ci qui provoquent la répulsion. C'est un double coup dur."

La structure en silicium ressemble à deux plaques bordées de dents qui se font face à travers un minuscule espace d'environ 100 nanomètres de large. (Un cheveu humain vaut 60, 000-80, 000 nanomètres de large.) Au fur et à mesure que les deux plaques sont rapprochées, la force Casimir entre en jeu et les écarte.

Cet effet répulsif se produit sans aucun apport d'énergie et selon toute apparence, dans le vide. Ces caractéristiques ont conduit cette énergie à être appelée « énergie du point zéro ». Ils ont également alimenté les affirmations antérieures selon lesquelles la force Casimir ne pouvait pas exister car son existence impliquerait une sorte de mouvement perpétuel, ce qui serait impossible selon les lois de la physique.

La force, dont l'existence a depuis été confirmée expérimentalement, résulte des fluctuations quantiques normales des quelques atomes qui persistent dans le gouffre malgré l'évacuation de tout l'air.

L'équipe a démontré qu'il est possible de construire un dispositif en silicium pour contrôler la force de Casimir.

"Notre article montre qu'il est possible de contrôler la force de Casimir à l'aide de structures complexes, formes sur mesure, " dit Ho Bun Chan, auteur principal de l'article et scientifique à l'Université des sciences et technologies de Hong Kong. Son équipe s'est inspirée des travaux antérieurs de Rodriguez publiés en 2008 qui proposaient des formes susceptibles de produire une force de Casimir capable à la fois d'attirer et de repousser. "Cet article est la réalisation expérimentale utilisant une structure inspirée du design de Rodriguez, " dit Chan.

Rodriguez et son équipe de Princeton ont développé des techniques qui ont permis aux chercheurs de calculer les interactions entre deux plaques parallèles lorsqu'elles se rapprochent. Avec ces outils, ils ont ensuite pu explorer ce qui se passerait si des géométries plus complexes étaient utilisées. Cela a conduit à certaines des premières prédictions d'une force Casimir répulsive en 2008.

Le groupe Rodriguez a utilisé des techniques nanophotoniques, qui impliquait de mesurer comment la lumière interagirait avec les structures, pour obtenir les équations complexes de la façon dont la force résulte de l'interaction de deux plaques.

Le dispositif en silicium comprenait un petit ressort mécanique que les chercheurs utilisaient pour mesurer la force entre les deux plaques, et de vérifier que la force quantique peut être répulsive. Les dents en silicone grossièrement en forme de T permettent à la force de répulsion de se former. La répulsion provient de la façon dont différentes parties de la surface interagissent avec la surface opposée.

"Nous avons essayé de réfléchir au type de formes que le groupe de Chan devrait fabriquer pour conduire à une force répulsive importante, nous avons donc fait des études de fond et des calculs pour nous assurer qu'ils verraient suffisamment de non-monotonie pour être mesurable, ", a déclaré Rodriguez.

Aller de l'avant, les chercheurs prévoient d'explorer d'autres configurations qui pourraient donner lieu à des forces répulsives encore plus importantes et à une répulsion mieux définie à des séparations plus importantes.