(PhysOrg.com) -- Les machines à l'échelle nanométrique devraient avoir une large application dans l'industrie, énergie, la médecine et d'autres domaines pourraient un jour fonctionner beaucoup plus efficacement grâce à d'importantes découvertes théoriques concernant la manipulation des célèbres forces de Casimir qui ont eu lieu au laboratoire Ames du département américain de l'Énergie.
La recherche révolutionnaire, réalisé par des simulations mathématiques, a révélé la possibilité d'une nouvelle classe de matériaux capables d'exercer une force répulsive lorsqu'ils sont placés à une très grande proximité les uns des autres. La force répulsive, qui exploite un phénomène quantique connu sous le nom d'effet Casimir, pourrait un jour permettre aux machines nanométriques de surmonter les frottements mécaniques.
Bien que les forces de friction dans les environnements nanométriques soient faibles, ils inhibent considérablement le fonctionnement des petits appareils conçus pour fonctionner dans ce domaine, a expliqué Costas Soukoulis, physicien senior au Ames Lab et professeur distingué de physique à l'Iowa State University, qui a dirigé l'effort de recherche.
Soukoulis et ses coéquipiers, dont l'assistant scientifique du laboratoire Ames Thomas Koschny, ont été les premiers à étudier l'utilisation de matériaux exotiques appelés métamatériaux chiraux comme moyen d'exploiter l'effet Casimir. Leurs efforts ont démontré qu'il est en effet possible de manipuler la force Casimir. Les résultats ont été publiés dans le 4 septembre, édition 2009 de Lettres d'examen physique , dans un article intitulé, "Force Casimir répulsive dans les métamatériaux chiraux."
Comprendre l'importance de leur découverte nécessite une compréhension de base à la fois de l'effet Casimir et de la nature unique des métamatériaux chiraux.
L'effet Casimir a été nommé d'après le physicien néerlandais Hendrik Casimir, qui a postulé son existence en 1948. En utilisant la théorie quantique, Casimir a prédit que l'énergie devrait exister même dans le vide, ce qui peut engendrer des forces agissant sur les corps rapprochés les uns des autres. Pour le cas simple de deux plaques parallèles, il a postulé que la densité d'énergie à l'intérieur de l'espace devrait diminuer à mesure que la taille de l'espace diminue, ce qui signifie également qu'un travail doit être effectué pour séparer les plaques. Alternativement, on peut dire qu'il existe une force d'attraction qui rapproche les plaques les unes des autres.
Les forces de Casimir observées expérimentalement dans la nature ont presque toujours été attrayantes et ont rendu les machines à l'échelle nanométrique et micrométrique inopérantes en faisant en sorte que leurs pièces mobiles se collent en permanence. Il s'agit d'un problème de longue date que les scientifiques travaillant sur de tels dispositifs ont eu du mal à surmonter.
Remarquablement, cette nouvelle découverte démontre qu'un effet Casimir répulsif est possible en utilisant des métamatériaux chiraux. Les matériaux chiraux partagent une caractéristique intéressante :leur structure moléculaire les empêche de se superposer à une copie inversée d'eux-mêmes, de la même manière, une main humaine ne peut pas s'adapter parfaitement à une image inversée d'elle-même. Les matériaux chiraux sont assez courants dans la nature. La molécule de sucre (saccharose) en est un exemple. Cependant, les matériaux chiraux naturels sont incapables de produire un effet Casimir répulsif suffisamment puissant pour être utile dans la pratique.
Pour cette raison, le groupe s'est tourné vers les métamatériaux chiraux, ainsi nommés car ils n'existent pas dans la nature et doivent plutôt être fabriqués en laboratoire. Le fait qu'ils soient artificiels leur confère un avantage unique, commenta Koschny. « Avec les matériaux naturels, vous devez prendre ce que la nature vous donne ; avec les métamatériaux, vous pouvez créer un matériau pour répondre exactement à vos besoins, " il a dit.
Les métamatériaux chiraux sur lesquels les chercheurs se sont concentrés ont une structure géométrique unique qui leur a permis de changer la nature des ondes énergétiques, tels que ceux situés dans l'interstice entre les deux plaques rapprochées, amenant ces ondes à exercer une force de Casimir répulsive.
La présente étude a été réalisée à l'aide de simulations mathématiques en raison des difficultés liées à la fabrication de ces matériaux avec des techniques lithographiques semi-conductrices. Alors que davantage de travail doit être fait pour déterminer si les matériaux chiraux peuvent induire une force de Casimir répulsive suffisamment forte pour surmonter la friction dans les dispositifs nanométriques, les applications pratiques de l'effet Casimir sont déjà à l'étude dans d'autres installations du DOE, y compris les laboratoires nationaux de Los Alamos et Sandia. Tous deux ont exprimé un intérêt considérable pour l'utilisation des métamatériaux chiraux conçus au laboratoire Ames pour fabriquer de nouvelles structures et réduire la force attractive de Casimir, et éventuellement d'obtenir une force Casimir répulsive.
Source :Laboratoire Ames (actualité :web)
