Forces de Casimir dans les matériaux bidimensionnels – CAT

CAT est un projet collaboratif international visant l’investigation des forces de Casimir (FC) dans les matériaux 2D, en combinant les expertises théorique (France) et expérimentale (Hong Kong) des deux équipes impliquées. Les FC désignent les interactions, entre objets neutres, issues des fluctuations quantiques. Elles trouvent leur origine dans les fluctuations du champ électromagnétique et les fluctuations de polarisation de matière qui en résultent. Cet effet quantique augmente rapidement avec la baisse de la distance de séparation entre les objets en jeu et devient l’interaction dominante, entre corps neutres, quand les distances de séparation descendent au niveau micrométrique. Outre l’intérêt fondamental qu’elles présentent à cause de leur nature quantique, les FC s’avèrent capitales en micro-nano technologie. Un exemple important est celui des dispositifs micro-nanomécaniques du quotidien comme, par exemple, les accéléromètres dans l’automobile, les filtres radiofréquences dans les téléphones mobiles. Avec la tendance à la miniaturisation, une compréhension complète des interactions fondamentales entre surfaces est essentielle afin de pouvoir concevoir des dispositifs fonctionnants correctement. Par exemple, les FC attractives peuvent amener deux composantes micro-nanomécaniques d’un dispositif à entrer en contact et coller l’une à l’autre, induisant ainsi un mauvais fonctionnement de ce dernier à cause des forces « stiction » (mot composé de « sticking » and « friction ») indésirables. Par ailleurs, des avancées théoriques récentes ont exploré l’usage constructif des FC comme la possibilité de changement de signe pour que la répulsion résultante empêche les composantes d’un système de se rapprocher et ainsi éviter les stictions destructrices. Ces FC répulsives ont également été proposées pour faire léviter des objets et pour construire des engrenages sans friction. CAT exploite les récentes avancées dans les matériaux 2D avec de nouvelles propriétés électroniques et optiques afin d’étudier les FC dans des régimes jamais explorés auparavant. Par exemple, la dispersion des quasi-particules dans le graphène conduit à des effets thermiques sur les FC qui ont lieu pour des distances significativement plus petites en comparaison aux matériaux 3D traditionnels. Ainsi, les matériaux 2D offrent de nouvelles opportunités d’explorer et d’exploiter les FC thermiques. De plus, en disposant un matériau 2D au-dessus d’un réseau de diffraction, la combinaison des effets géométriques, des propriétés optiques des matériaux et des effets thermiques modifiera la FC de manière non triviale, qui reste encore à explorer. Un autre avantage des matériaux 2D est qu’ils offrent un moyen alternatif de contrôler la FC en agissant sur le potentiel chimique, ce qui est difficile avec les msystèmes 3D. Les efforts théoriques et expérimentaux se focaliseront sur les objectifs suivants: (i) Étudier les nouvelles caractéristiques conférées aux FC par la présence de matériaux 2D; (ii) Explorer les FC dans des couches suspendues de matériaux 2D, libérés ainsi des influences des substrats; (iii) Explorer les effets des réseaux de diffractions sur les FC sur matériaux 2D, mettant en jeu simultanément les effets géométriques et thermiques. L’équipe CAT, jouit d’un fort bilan/expertise dans les domaines expérimental (HK) et théorique (France). Alors que les résultats théoriques existants concernent largement le graphène, l’équipe du projet s’intéressera à d’autres matériaux 2D. L’aboutissement de ces recherches permettra une compréhension des FC dans les matériaux 2D, ce qui est essentiel pour leur exploitation dans les systèmes micro-nanomécaniques. Le travail proposé est particulièrement pertinent, étant donné les récentes percées dans la « physique de Casimir » et l’immense progrès dans le domaine des matériaux 2D. La collaboration en cours entre les deux équipes, comme en témoignent les récentes publications communes, sera grandement consolidée.