Une méthode pour contrôler de manière réversible les forces de Casimir à l'aide de champs magnétiques externes

La force dite Casimir ou effet Casimir est un phénomène de mécanique quantique résultant des fluctuations du champ électromagnétique entre deux surfaces conductrices ou diélectriques proches l'une de l'autre. Des études ont montré que cette force peut être attractive ou répulsive, selon les propriétés diélectriques et magnétiques des matériaux utilisés dans les expériences.

Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Chine ont récemment exploré la possibilité d’ajuster sélectivement la force de Casimir, c’est-à-dire de la faire passer d’attrayante à répulsive et vice-versa, en utilisant des champs magnétiques externes. Leur étude, présentée dans Physique naturelledémontre le réglage réussi du champ magnétique de la force de Casimir résultant d'une sphère d'or et d'une plaque de silice immergées dans des ferrofluides à base d'eau.

“Mon domaine de recherche est la physique de la matière condensée, mais je m'intéresse également beaucoup à la physique fondamentale, telle que les fluctuations quantiques et leurs effets induits”, a déclaré Changgan Zeng, l'auteur correspondant de l'article, à Phys.org.

“Au cours des deux dernières décennies, j'ai suivi de près les développements dans le domaine des forces Casimir, et j'ai été particulièrement impressionné par un article de Munday et al. dans Nature. Les forces de Casimir sont généralement attractives, ce qui pose des défis pour les applications, par exemple dans les systèmes microélectromécaniques (MEMS). Dans leur article, les auteurs ont conçu une expérience élégante pour obtenir des forces répulsives de Casimir en sélectionnant soigneusement les permittivités diélectriques des matériaux impliqués. »

Inspiré par cet article précédent publié en 2009, Zeng a entrepris de poursuivre ses recherches visant à contrôler de manière réversible les forces de Casimir en appliquant des champs magnétiques. Son espoir était de concevoir une approche fiable pour moduler l’effet Casimir, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles voies à la fois pour la recherche et le développement technologique.

“Au départ, nous envisageions de contrôler la force de Casimir en appliquant un champ électrique, inspiré du concept des dispositifs FET”, a expliqué Zeng. “Bien qu'il soit bien connu que la force de Casimir dépend des permittivités diélectriques des matériaux impliqués, ces permittivités ne sont généralement pas sensibles aux champs extérieurs. En revanche, selon la théorie de Lifshitz, la force de Casimir dépend également des perméabilités magnétiques des matériaux impliqués. les matériaux.”

La perméabilité magnétique de nombreux matériaux magnétiques, notamment les ferrofluides, peut être modulée en appliquant des champs magnétiques externes. Zeng et ses étudiants ont donc décidé d'utiliser des ferrofluides à base d'eau pour permettre le réglage de la force de Casimir entre une sphère d'or et une plaque de silice.

“J'ai proposé ce projet à mes étudiants diplômés, mais aucun n'était prêt à l'entreprendre”, a déclaré Zeng. “En fin de compte, j'ai réussi à convaincre des étudiants talentueux de se lancer dans le projet, et nous avons réussi.”

Zeng et ses étudiants ont d'abord effectué une série de calculs théoriques. Ces calculs suggèrent que la force de Casimir pourrait passer d'attrayante à répulsive simplement en modulant un champ magnétique externe, la distance entre leurs deux échantillons de matériaux et le volume de ferrofluides qu'ils utilisaient.

Les chercheurs ont ensuite mené une expérience destinée à tester leurs prédictions. À l’aide d’un cantilever capable de collecter des mesures à l’intérieur des ferrofluides, ils ont observé comment les changements mis en œuvre affectaient l’effet Casimir.

Les résultats de cette étude récente pourraient bientôt ouvrir la voie à de nouveaux efforts visant à régler efficacement l’effet Casimir à l’aide de champs externes. Collectivement, ces travaux pourraient permettre le développement de nouveaux dispositifs micromécaniques commutables exploitant les forces de Casimir.

“Nous avons obtenu un réglage réversible de la force Casimir d'attrayante à répulsive à l'aide d'un champ magnétique, ouvrant la voie au développement de dispositifs micromécaniques commutables basés sur l'effet Casimir réglable”, a ajouté Zeng. “Dans nos prochaines études, nous prévoyons de contrôler la force de Casimir à l'aide de la lumière. Par exemple, les plasmons contenus dans des plaques métalliques peuvent être excités par la lumière, ce qui devrait effectivement modifier la force de Casimir.”

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