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L’attraction atome-surface exaltée par la chaleur

26 septembre 2014

LPL - UMR 7538

En mesurant l’exaltation de la force d’attraction entre un atome et une surface à courte distance et haute température, des physiciens ont mis en évidence le rôle important des excitations de surface dans le régime de « nanothermique ».

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Lorsqu’on approche un atome d’une surface, celui-ci subit une force, la force de Casimir Polder. Celle-ci provient d’un déplacement des niveaux d’énergie de l’atome dû à la modification des propriétés du vide quantique et du rayonnement thermique ambiant causés par la réflexion des ondes lumineuses par la surface. Lorsque l’on augmente la température, les fluctuations thermiques émises par les excitations de surface deviennent importantes et viennent modifier la force entre l’atome et la surface. C’est cette modification que des chercheurs du Laboratoire de physique des lasers - LPL (CNRS/Univ. Paris 13) en collaboration avec des chercheurs brésiliens de la Universidad Federal de Paraiba viennent de mesurer en étudiant l’interaction entre un atome de césium et une surface de saphir pour des hautes températures. Ils ont montré que l’attraction entre l’atome et la surface augmente avec la température pour doubler lorsque l’on atteint les 1000 kelvins. Ce travail est publié dans la revue Nature Communications.

Dans ce travail, les physiciens ont étudié des atomes de césium contenus dans une cellule de saphir. Cette cellule, dont la fenêtre est en saphir super-poli, peut atteindre des températures élevées grâce à un collage minéral que réalisent des collaborateurs de l’Institute for Physical Research (National Academy of Sciences - Arménie). Les chercheurs préparent les atomes de césium dans le niveau voulu avec un premier laser puis effectuent leurs mesures avec la technique de spectroscopie par réflexion. Ils déterminent comment l’une des fenêtres de la cellule réfléchit la lumière d’un faisceau laser à l’interface verre — gaz de césium. Lors de cette réflexion, seuls les atomes de césium se trouvant à proximité de la surface de saphir ont interagi avec le faisceau laser  ; tous ceux qui sont à une distance de la surface supérieure à une centaine de nanomètres ne voient que le faisceau transmis au travers de la cellule. On obtient une famille de spectres de réflexion correspondant à des températures différentes s’échelonnant entre 500 kelvins et 1000 kelvins. Les chercheurs déduisent alors de ces spectres le déplacement des niveaux atomiques et donc la force s’exerçant entre les atomes et la surface. Ces résultats expérimentaux valident les prédictions théoriques dont l’ingrédient principal est le couplage entre les atomes et les excitations de surface du saphir.

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Le potentiel Casimir-Polder, en champ proche, est décrit par la relation -C3/z3, où C3 est le coefficient de Van der Waals et z la distance atome-surface. Des expériences effectuées au LPL montrent une augmentation de la valeur de C3 avec la température, en accord avec les prédictions théoriques.

En savoir plus

Casimir–Polder interactions in the presence of thermally excited surface modes
A. Laliotis1, T. Passerat de Silans1,2, I. Maurin1, M. Ducloy1 et D. Bloch1, Nature Communications, 2014

  • Retrouvez la publication sur les bases d’archives ouvertes HAL et arXiv

Contact chercheur

Athanasios Laliotis, Maître de conférences de l’Université Paris 13

Informations complémentaires

1 Laboratoire de Physique des Lasers (LPL)
2 Laboratório de Superfície, Universidad Federal de Paraíba, Brazil

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp.com cnrs.fr