Pr

1
LA FORCE DE CASIMIR ou l'ATTRACTION UNIVERSELLE
à l'échelle du NANO-MONDE
Daniel BLOCH
Laboratoire de Physique des Lasers CNRS -
Université Paris13 F-Villetaneuse
"Mesoscopic Gas" (08-BLAN-0031-01)
2
avec I. Maurin, A. Laliotis, M.-P. Gorza, M.
Ducloy S. Saltiel (décédé) (Sofia) Ph . Ballin
(Doctorant)
T.Passerat de Silans (Brésil), P.Chaves
de Souza Segundo (Brésil), P. Todorov (Sofia),
I. Hamdi, G. Dutier, H. Failache (Montevideo),
S.Briaudeau, N.Papageorgiou M. Chevrollier
(Brésil), M. Oria (Brésil) M. Fichet, A.
Yarovitski
coopération Arménie -groupe de D. Sarkisyan
P. Echegut, D. de Souza (Orléans)
3
PLAN

• Attraction van der Waals, Casimir-Polder,
  Casimir ... atome-atome, atome-surface,
  surface-surface
• Théorie... vs. expériences permittivité,
  température, rugosité, ...

• Spectroscopie pour mesurer vW atome-surface
• Résonances de surface (permittivité) et
  répulsion
• Température (du vide, ou de surface) et vW
• Nanocellules pour tester la loi de distance
• Vers un confinement multidimensionnel
  (spectroscopie dans une opale)

4
Universalité de l'attraction de van der Waals
Fluctuations électromagnétiques des corps neutres
van der Waals ( 1873) déviation aux gaz
parfaits par interaction de particules
neutres London (1930)  attraction e.m. entre
neutres r - 6 , z - 3 corrélation instantanée
des fluctuations de la distrib. de charge
Des déviations par rapport aux prédictions
London-vW en fait, une histoire d'expériences
difficiles, à échelle macroscopique avec des
charges résiduelles en surface, ..du
microscopique mal contrôlé... Overbeek, colloides
? Casimir retard vs. fluctuations
instantanées 1948 Casimir-Polder pour
atome-surface retardé VCP ? C4 z - 4 pour z ?
? formule générale VCP (z) f(z) z - 3
5
H.B.G. CASIMIR (1948)
6
1948 CASIMIR (SURFACE-SURFACE MÉTALLIQUE)
F/A -??² hc / 240 d4 1 atm _at_ 10 nm
! un paradigmeclé de la théorie QED
fluctuations du vide, divergence UV, ... de
la... constante cosmologique... aux
nanotechnologies... Généralise vW ? COHÉSION de
la matière car principale force à courte
distance ? test de la "5ème force" (gravité
non-newtonnienne)
Lifchitz et al. (1956) fluctuations
thermodynamiques Selon pptés des matériaux (?
métal idéal) e(?)
e1 (?) e2 (?) e3 (?)
milieu intermédiaire ?possibilité d'une répulsion
7
Mesures anciennes régime van der Waals /régime
Casimir
8
Cylindres orthogonaux de mica distance évaluée
par interférométrie moyennage sur une grande
surface
38 nm
23 nm
contact
9
J.N. Israelachvili and D.Tabor, Proc. R. Soc
(London) A, 331, 19-38 (1972)
10
van der Waals forces between objects covered with
a chromium layer Peter H. G. M. van Blokland
and J. Theodoor G. Overbeek
Effet Casimir "les premières mesures sérieuses (à
25)" (in Wikipedia)
van der Waals forces between objects covered with
a chromium layerPeter H. G. M. van Blokland and
J. Theodoor G. Overbeek J. Chem. Soc., Faraday
Trans. 1, 1978, 74, 2637 - 2651 Dispersion
forces between two metal objects have been
measured at distances varying from 132 to 670 nm.
Precautions had to be taken to eliminate
electrostatic forces arising from differences in
Volta potential. The distance between the
metallic objects was determined by measurring the
capacitance formed by the test objects. To
compare experiment and theory van der Waals
forces between chromium objects have been
calculated numerically on the basis of the
Lifshitz theory. It is shown that when the
dielectric constant of chromium is described by
the free electron gas model and when an
absorption band is taken into account excellent
agreement with experiment is obtained. In
addition the validity of a number of approximate
equations for calculating the force is tested
Dispersion forces between two metal objects have
been measured at distances varying from 132 to
670 nm. Precautions had to be taken to eliminate
electrostatic forces arising from differences in
Volta potential. The distance between the
metallic objects was determined by measurring the
capacitance formed by the test objects. To
compare experiment and theory van der Waals
forces between chromium objects have been
calculated numerically on the basis of the
Lifshitz theory. It is shown that when the
dielectric constant of chromium is described by
the free electron gas model and when an
absorption band is taken into account excellent
agreement with experiment is obtained. In
addition the validity of a number of approximate
equations for calculating the force is tested
11
RENOUVEAU DES EXPÉRIENCES CASIMIR (du type
surface-surface)
(Lamoreaux 1997) Mohideen 1998 AFM
(plan-sphère) exp.
diversifiées microscopie à force atomique ?
précision 1 (?) (ou 2.5) domaine 100 - 900 nm
et accord avec la théorie
Une précision qui oblige à des raffinements
théoriques
- ?diel (pas de métal non parfait... , ...Drude
?, cut-off, ...) - T ? 0 (T 300 K, T gt 350 K ?
délicat avec techno AFM) régime de champ proche
pour le corps noir - plan vs. sphère -
rugosité - distance (? 60 nm) (offset de mesure,
couche auxiliaire,..?)
12
vW ATOME-SURFACE
from Wilkpedia, free encyclopedia
Chimie moléculaire potentiel Lennard-Jones
et/ou physisorption (surface) 0.1-1eV

• un large domaine de distances du nm au µm
• - un immense domaine dénergie
• 10 ordres de grandeur avec la dépendance en z-3

Longues distances forces et/ou potentiel très
faibles MAIS forces très grandes aux courtes
distances ? variété des techniques
expérimentales et des régimes
13
INTERACTION ATOME-SURFACE domaines de distance
 
  Modèle des images électrostatiques  Potentiel
vW interaction dipôle / dipôle-image
z-3 z ltlt ?virt
champ proche du corps noir pour z ? Ltherm ?
50/2? µm (pour 300 K)
14
INTERACTION ATOME-SURFACE
London (1930) et Lennard-Jones (1932) dipôle
et dipôle-image
 ATOME-ATOME (liaison COVALENTE) HvW C6 r
- 6 ATOME-SURFACE HvW - (D²Dz²) / 2.(2z)3
modèle des images électrostatiques

fluctuations quantiques atomiques ltDgt 0, mais
ltD²gt ? 0 ! Sommation sur les transitions
virtuelles ?ij ltiD²igt ?j ltiDjgt
ltjDigt Exaltation pour niveaux excités
(polarisabilité accrue, et IR lointain) ?virt
caractérise instantané / retard












































im






































HvW - C3 z -3
15
EXPERIENCES ATOME-SURFACE
régime  van der Waals 1969-74 Columbia
cylindre jet Cs z -2, z -3,
z -4 ? 1992-96 Yale Rydberg et résolution
500nm-3µm 1991? . Paris 13 Spectro RS sur
états excités (100 nm) C3(l j gt) C3(l i
gt) 1996 atomes froids avec vW potentiel
répulsif (IOTA) 1999 Optique atomique
(diffraction He, Gottingen), 2001 Anisotropie vW
(Paris 13, équipe IOA ..) régime
Casimir-Polder  sur fdtal? effet très faible
(1993 Hinds) 2005 groupe de E. Cornell (fréq.
doscillation dun BEC piégé, ...) record de
longue distance 6-10 µm (et 5ème force) 2007 T
? 0 T1 (surf) ? T2 (demi-espace)
16
PREMIÈRES MESURES VW ATOME-SURFACE
....1969 (Raskin - Kusch)- 1974-75 ( Shih et al.)
Columbia U jet (Cs) déflechi par cylindre
métallique paramètres d'impact 50 - 100 nm
Detector plane
Beam oven
s
trajectory

Deflecting cylinder
17
INTERACTION ATOME / SURFACE DIELECTRIQUE
Diélectrique équivalent à un métal réel
(portée des modes de surface éventuellement
supérieure)
Modèle de l'image électrostatique






vide




Sommation sur les transitions virtuelles
?ij ltiD²igt ?j r(?ij) ltiDjgt ltjDigt Que
devient r(?ij) pour ?(?ij) complexe (i.e.
absorption) ?
(e)
reflecteur




























D
D







im
z

























Terme résonnant en Re ?(?ij) -1/ ?(?ij)1
si ?ij est émission atomique dans mode de surface













18
Spectroscopie de linteraction atome-surface
Spectroscopie DIFFERENCE C3(l j gt) C3(l
i gt) éventuellement C3(l j gt) gtgt
C3(l i gt) vW moyennage spatial "shift"
distorsion du spectre REFLEXION SELECTIVE
résolution fixe ?/2? 100 nm
CELLULE MINCE (nanocellule) confinement
"mécanique"( ? optique) épaisseur variable
20-1000 nm
19
Couplages virtuels pour Cs(6D3/2) et RÉSONANCE
SAPHIR ? vW résonant (géant) et RÉPULSIF
1
? gt0
0
10
? lt 0
-10
x 1014Hz
Observation par spectroscopie RS Failache et al.
(1999)
sapphire
20
Démonstration d'une répulsion vW (C3 lt 0)
insensible à l'élargissement en pression i.e.
interaction atome-surface indépendante des
interactions atome-atome
C3 (kHz.?m3 )  
Cs (6D3/2) et interface saphir
Failache et al, PRL, 83, 5467 (1999)
21
COEFFICIENT d'IMAGE DIELECTRIQUE à T ?0
vW un effet de "cavity QED"... vide modifié par
les conditions aux limites Enjeu la nature du
"VIDE CHAUD"
émission de surface (T ? 0) en résonance avec
absorption virtuelle atomique
émission virtuelle atomique exaltée avec T
contribution non-résonnante ?p 2?KB T/h
M-P Gorza M Ducloy Eur Phys J D 40, 343 (2006)
22
Cs (8P) couplage entre Emission thermique de
la Surface et Absorption virtuelle 8P ? 7D
Couplage en IR lointain 50 µm 300 K 30-40 µm
400-500 K Profondeur sondée lt 100 nm
23
RESONANCES de SURFACE pour IR THERMIQUE
300K
600K
BaF2
CaF2
MgF2
µm
50
25
0
from Optics of Solids literature, e.g . Palik
Handbook
BaF2 surface polariton resonance at 35 µm
CaF2 surface polariton resonance at 25 µm
24
Prédictions pour Cs(8P3/2) / CaF2
(saphir)
40
(kHz.µm3) C3
attraction
0
répulsion
K
T. Passerat de Silans et al., J. Phys. Condens.
Matter 21 255902 (2009)
Cs(8P3/2) / saphir 40kHz.µm3 , indépendant
de T
25
RÉSONANCES DE SURFACE MODÉLISATION
___ modelling with ? from Kaiser (1962)
temperature behaviour extrapolated form Denham
(1970) ___ modelling with ? from Denham (1970)
including a temperature dependence ___ modelling
with ? from Kaiser (1962) modeling with
(several of) our fittings (from novel solid
state measurements)
kHz.µm3
BaF2 / Cs(8P3/2)
résonances plus voisines ? haute sensibilité à
?(?)
T. Passerat de Silans et al. ,J. Phys. Condens.
Matter 21 255902 (2009)
26
Résultats expérimentaux (excitation thermique
de modes de surface RÉSONNANTS)
Cs(8P) / CaF2
EN ACCORD avec potentiel C3z -3 , mais
DÉSACCORD FLAGRANT....avec prédictions champs
parasites ? C2 z -2 état de surface ? attaque
chimique ?...
T. Passerat de Silans, Thèse Univ Paris13 (2009)
27
en cours...TEST ALTERNATIFS pour C3vW (T)
Cs (7D3/2).... 7D3/2 ? 8P émission à 29 et 39
µm saphir non résonnant, et matériau plus
facile que CaF2
en projet résonance saphir (12 µm) / Cs
(7P)... T ? 1000 K
28
Spectroscopie de linteraction atome-surface
Spectroscopie DIFFERENCE C3(l j gt) C3(l i gt)
éventuellement C3(l j gt) gtgt C3(l i gt) vW
moyennage spatial "shift" distorsion du
spectre REFLEXION SELECTIVE résolution
fixe ?/2? 100 nm CELLULE MINCE
(ETC - nanocellule) confinement "mécanique"(
? optique) épaisseur variable 20-1000 nm
29
Objectif fits cohérents avec lévolution en
pression Précision sur C3 meilleure pour de
basses pressions ou pour une interaction vW forte
REPRODUCTIBILITE TESTÉE en différents points de
la cellule
M. Fichet et al., EPL 77, 54001 (2007)
z -3 ? 0.3 de 20 à 65 nm
C3 indépendant de lépaisseur ?
C3 14 kHz.µm3, valeur théorique 15 kHz.µm3
30
Distances très courtes une situation
exotique? cf. PAMO 2008
épaisseur L ? atome-surface ? L/2 ? régime
10nm
Cs (6D5/2) 15 kHz.µm3 (vs. fondamental 1
kHz.µm3) Déplacement en énergie dizaines de GHz
(1 K 20GHz) Pas datomes  froids  à ces
distances V(z) en z-3 ? Force / Accélération
en z-4 Cs (6D3/2) à 20 nm a 8. 107g
103 acooling si transfert à distance
(quenching induit par la surface) Cs(6D3/2)
? Cs(6S1/2), a 102 acooling _at_ 20 nm

• - Quelle situation entre 1 et 10 nm ?
• Désorption thermique quelle barrière à franchir
  ?
• - Gradient  atmosphérique  de densité ?

31
CONCLUSION GENERALE

• Des idées fondamentales anciennes analogie
  atome/surface et surface/surface
• Des problèmes très fondamentaux (nature du vide,
  température, ..au delà de l'électromagnétisme...)
• Macroscopique et microscopique
• Expériences selon progrès récents
  (nano)-technologiques
• Prédictions exotiques (répulsion, effets
  latéraux /anisotropes)
• Vers une ingénierie... NEMS, ...CVD, ...