Nouvelle approche dans l’étude des interactions gravitationnelles (simulées)

L’origine des interactions attractives à longue portée fascine les scientifiques depuis des siècles. La remarquable théorie de la Fatio corpusculaire de Duillier-LeSage, introduite dès 1690 et généralisée aux ondes électromagnétiques par Lorentz, proposait qu’en raison de leur ombre mutuelle, deux particules absorbantes dans un champ de rayonnement isotrope subissent une force d’attraction similaire à celle de la gravité, inversement proportionnelle au carré de la distance. Spitzer et Gamow ont introduit des interactions similaires de « gravité simulée » dans le contexte de la formation des galaxies, mais leur pertinence réelle en cosmologie n’a jamais été établie sans équivoque. Des travaux récents ont montré que la force d’interaction entre des particules diélectriques non absorbantes et des atomes dans un champ lumineux aléatoire isotrope quasi-monochromatique présente toujours un comportement oscillatoire pour des distances supérieures à la longueur d’onde de la lumière. L’objectif principal de ce travail est de montrer que, dans des conditions de résonance spécifiques, ces forces deviennent non-oscillatoires, attractives et inversement proportionnelles au carré de la distance.

L’interaction entre deux objets est généralement définie comme étant à longue portée si la force décroît avec leur distance. La gravité est un exemple typique de force d’attraction à longue portée en trois dimensions, tandis que l’interaction entre les dipôles électriques ou magnétiques se situe à la limite entre l’attraction à courte et à longue portée. En revanche, les forces de diffusion entre les molécules et les particules non polarisées ou neutres sont à courte portée : à courte distance, l’interaction coulombienne entre les moments dipolaires électriques fluctuants conduit à l’énergie d’interaction de Van deer Waals-London. Cependant, lorsque la distance est supérieure à une longueur d’onde de résonance caractéristique λF, les effets de retard deviennent importants car les moments dipolaires fluctuent de nombreuses fois pendant la période où la lumière doit passer entre les particules. L’énergie d’interaction varie alors comme Casimir et Polder l’ont montré pour la première fois. Ces interactions peuvent également être dérivées comme un cas particulier de la théorie de Lifshitz sur l’attraction entre les corps macroscopiques induite par les fluctuations quantiques des champs électromagnétiques d’équilibre et thermiques.

Ces dernières années, un intérêt croissant a été porté à la compréhension des analogues hors équilibre des forces de Casimir apparaissant dans l’interaction entre des corps à différentes températures, comme celles induites par le rayonnement du corps noir d’une source chaude dans les atomes et les nanoparticules. De manière surprenante, des interactions à longue portée entre des atomes ou des particules diélectriques non absorbants dans un champ aléatoire fluctuant quasi-monochromatique ont été prédites et démontrées expérimentalement pour des particules micronisées. Bien que la portée effective de l’interaction puisse être contrôlée par la largeur de bande spectrale du champ fluctuant, l’existence de forces d’interaction tridimensionnelles, semblables à la gravité, inversement proportionnelles au carré de la distance, n’avait pas encore été démontrée. Pour de petites distances de séparation, des interactions de type gravitationnel ont d’abord été prédites par des calculs d’électrodynamique quantique (QED) pour les atomes et les molécules, puis par une approche classique sur des nanoparticules de Rayleigh conduisant à des résultats analogues. Dans ces études, la partie imaginaire de la polarisation n’était pas incluse dans les calculs ou était prise en compte, mais était considérée comme négligeable ; c’est-à-dire que les effets de la pression de radiation étaient négligés. Cependant, comme nous le verrons plus loin, ces effets dominent les interactions en champ proche des particules non absorbantes, ce qui conduit à une loi d’interaction différente.

Dans cet article publié dans Physical Review Letters, et auquel a participé le chercheur du DIPC Ikerbasque Juan José Sáenz, il est montré que, contrairement aux atomes ou aux particules diélectriques, la force d’interaction entre deux molécules ou nanoparticules plasmoniques résonantes identiques, dont la section d’extinction est dominée par l’absorption, peut suivre une véritable loi inversement proportionnelle au carré de la distance de séparation en champ proche et en champ lointain. Dans ses célèbres « Lectures on Theoretical Physics », Lorentz avait déjà suggéré que les interactions électrodynamiques en présence d’absorption pouvaient conduire à une force d’interaction de loi carrée inverse similaire à la théorie corpusculaire originale de Fatio-Lesage. Cependant, dans cet article, il est montré que la loi idéale de non-oscillation ne peut être obtenue que lorsque la fréquence du champ aléatoire correspond à la résonance de Fröhlich des particules.

Pour plus d’informations : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.143201

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.143201

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.143201

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.143201

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