L’effet Casimir est à la fois l’une des rares manifestations macroscopiques de la physique quantique, et aussi la conséquence directe de la présence du vide quantique et de ses fluctuations. Cet effet étonnant se manifeste par l’apparition d’une force d’interaction entre deux corps macroscopiques séparés par des distances submicroniques.

Avec la tendance à la miniaturisation dans l’industrie des semi-conducteurs, les forces de Casimir deviennent un effet majeur dans les micro/nano-systèmes électromécaniques (MEMS/NEMS) largement employés dans les technologies d’usage quotidien.

Si dans le système la symétrie de rotation est rompue, par exemple, par anisotropie optique, les fluctuation du vide peuvent transmettre aussi un moment angulaire, et donc les interactions de Casimir peuvent se manifester non seulement comme une force, mais aussi comme un couple qui permet de faire tourner des objets par rapport à un axe donné. Le couple de Casimir est beaucoup moins exploré que la force de Casimir et n’a été vérifié expérimentalement que récemment.

Dans cette recherche théorique [1], fruit d’une collaboration entre une équipe française (L2C, CNRS and Université de Montpellier), une équipe russe (Saint Petersbourg State University) et une équipe hongkongaise (HKUST), le couple de Casimir entre deux réseaux de diffraction parallèles et tournés l’un par rapport à l’autre (voir figure) a été étudié. Il a été montré que, pour des réseaux infiniment étendus, dans la limite d’angles proches de 0 l’énergie de Casimir s’écarte de l’énergie de réseaux parfaitement alignés, conduisant à une discontinuité anomale à l’angle de rotation θ = 0. Les chercheurs expliquent ce phénomène comme un nouveau type de transition géométrique critique d’ordre zéro entre une configuration bidimensionnelle et une configuration unidimensionnelle. Elle est la manifestation de la perte de la conservation du vecteur d’onde dans l’espace du réseau réciproque à l’angle θ = 0. Aucun mécanisme de transition géométrique analogue n’était connu auparavant.
Une conséquence pratique remarquable de cette découverte est que, pour des réseaux de taille finie, le couple de Casimir par unité de surface peut atteindre des valeurs énormes pour de petits angles de rotations, et qui peut augmenter indéfiniment avec la taille du système.

Cette découverte non seulement permet une meilleure compréhension des fluctuations quantiques, mais a aussi un intérêt pratique car elle introduit un autre degré de liberté dans la manipulation par le vide quantique. Elle offre, par exemple, de nouvelles opportunités d’exploiter le domaine du vide pour réaliser un ressort de torsion à vide quantique sans contact, avec des applications prometteuses dans les systèmes et dispositifs micro/nano-technologiques. Enfin, le nouveau mécanisme de rupture de symétrie dans la zone Brillouin, qui est à la base de la transition géométrique critique, est susceptible d’être utilisé pour étudier des effets analogues dans divers systèmes physiques avec une périodicité spatiale.

Bibliographie :
[1] « Giant Casimir torque between rotated gratings and the θ=0 anomaly »,
Mauro Antezza, H. B. Chan, Brahim Guizal, V.N. Marachevsky, Riccardo Messina, Mingkang Wang, Phys. Rev. Lett. 124, 013903 (2020)

arXiv : https://arxiv.org/abs/1904.00961

web : https://sites.google.com/site/mauroantezza/home