Forces d’attraction et de friction entre atomes identiques en rotation médiées par le vide électromagnétique

La compréhension de la dissipation est un point crucial de la description des phénomènes physiques, à toute échelle. Cependant, comme relevé par Loschmidt, puisque nous décrivons le monde microscopique à partir de relations réversibles dans le temps, comment est-il possible d’observer l’irréversibilité à notre échelle macroscopique, tout particulièrement la seconde loi de la thermodynamique ? Un premier élément de réponse, dérivant de l’effet statique mis en lumière par Casimir, est de considérer l’interaction dynamique de la matière avec son environnement, en particulier le vide électromagnétique, inéluctable fond quantique. Le mouvement d’objets en interaction avec ce milieu fluctuant se trouve ainsi perturbé et une friction peut apparaître, ce qui est le point de départ de l’étude des effets de friction quantique. Je me suis ici intéressé à un cas particulier : deux atomes identiques, s’attirant par une force de dispersion issue des fluctuations du vide, tournant l’un autour de l’autre sur une trajectoire circulaire. Cette configuration, pouvant apparaître lors de collisions douces à grand paramètre d’impact, typiquement dans les fluides, est d’un intérêt théorique majeur puisqu’elle permet de justifier physiquement le calcul de forces attractives sans modification de la distance interatomique. L’objectif de cette étude a été la construction d’une analyse semi-classique du problème permettant le calcul exact de la force s’exerçant sur chacun des atomes. Dans un premier temps, j’ai établi le modèle classique de l’atome, mettant en jeu la notion de réaction au rayonnement, cruciale pour la cohérence et la stabilité de la matière plongée dans les fluctuations du vide doté d’une énergie (infinie) de point zéro. Ensuite, j’ai décrit le champ électromagnétique du vide thermique à travers ses corrélations, incluant les effets dynamiques, permettant ainsi de conserver un formalisme classique. La dynamique des deux atomes sur leur trajectoire circulaire est par la suite décrite de manière quasi-stationnaire, rendant possible l’utilisation de transformées de Fourier sur les dipôles atomiques. Cette description permet alors le calcul de polarisabilités effectives, dues au couplage interatomique, modélisant l’induction par le champ du vide. Les forces s’exerçant sur les centres de masse des atomes sont alors écrites avec des intégrales de formes quadratiques du champ électromagnétique du vide thermique dans l’espace des fréquences, ce qui permet l’utilisation des corrélations obtenues en amont. Ainsi, j’ai pu calculer explicitement la force d’attraction interatomique, dont j’ai pu retrouver les résultats de la littérature, notamment ceux de London et Casimir-Polder et ainsi de valider la cohérence du modèle. Pour finir, je me suis intéressé à la dissipation via le calcul d’une force de friction s’exerçant sur les atomes, dépendant à la fois de la température du rayonnement de corps noir du vide thermique, ainsi que de la distance interatomique. Le résultat de la friction d’un atome seul, en mouvement par rapport au référentiel du corps noir, comme étudié par Einstein et Hopf, est également retrouvé. Un point clé du travail a été de calculer la friction quantique, c’est-à-dire la force de freinage exercée sur la paire d’atomes en rotation par le vide électromagnétique à température nulle. La résolution complète du système dans le cadre du modèle aboutit à une friction nulle, contrairement au résultat partiel et préliminaire de 2015. Cependant, dans le cadre d’une future résolution améliorée d’électrodynamique quantique, l’introduction d’une coupure dans l’intégrale sur les fréquences pourrait faire apparaître une friction non nulle.