Mesure d'une force residuelle autre que la force de Casimir

Apres le traitement des donnees brutes, on peut tracer le gradient reduit de la force residuelle en fonction de la distance de separation z. En regardant la gure 4.18, on voit que la loi de puissance change avec la distance d'une maniere bien plus forte et opposee au changement de regime Van der Waals-Casimir (qui fait passer d'un regime en 1=z3 a courte distance a un regime en 1=z4 a grande distance). Une force parasite vient s'ajouter a la force de Casimir. On peut estimer la force addi-tionnelle par une fonction du type 1=zP en soustrayant la force de Casimir theorique calculee entre deux surfaces d'or. On trouve P 1:8 (courbe verte). La puissance en z de la force de Casimir variant entre 3 et 4 dans ce regime de distances, elle do-mine aux courtes separations z (courbe rouge). Determinons l'origine de cette force additionnelle g^enante pour les mesures du gradient reduit de la force de Casimir.

Figure 4.18 { Gradient reduit de la force residuelle en fonction de la distance de sepa-ration z en echelle logarithmique. On voit qu'a grande distance, le gradient change de loi de puissance : il y a donc deux contributions : la force de Casimir qui domine a courte distance (ligne rouge) et une force additionnelle qui domine a grande distance (ligne verte). Cette courbe sera par la suite toujours en vert dans les graphiques de cette partie 4.4.1 pour faciliter les comparaisons.

4.4. Mesures de la force de Casimir Eet d'une distribution spatiale du potentiel sur les surfaces

S. Lamoreaux et al., lors d'une mesure de force entre une sphere et un plan de germanium, ont egalement trouve deux contributions : la force de Casimir et une deuxieme force qu'ils attribuent a une force electrostatique peut-^etre generee par le patch eect [107]. Cet eet, d'abord mis en evidence par C. Speake et C. Tenkel [112], correspond a une variation spatiale, en (x,y), du potentiel de surface. Il peut ^etre cause par la variation des directions cristallographiques d'une surface polycristalline, par une couche d'oxyde, par une couche de contaminants adsorbes en surface ou encore par des impuretes chimiques.

A la suite de C. Speake et C. Tenkel [112], S. Lamoreaux et al. ont montre theo-riquement que la presence d'une inhomogeneite spatiale du potentiel sur la surface conduit a une force residuelle qui n'est pas compensee par le potentiel de contact V₀ [113]. Ils ont ajuste leur courbe experimentale avec ce modele theorique pour une distance z > 5m, c'est-a-dire lorsque la force de Casimir est negligeable. En sous-trayant par la suite cette contribution, ils ont montre que la courbe obtenue (pour z < 5m) correspondait a la force de Casimir [107].

P. Antonini et al. ont construit un instrument an de mesurer la force de Casi-mir en geometrie plan-plan sur de grandes distances (5-6m). Mais la force qu'ils mesurent entre deux surfaces d'aluminium est plus grande que la force de Casimir theorique [114]. Pour voir si elle provient d'un eet de la distribution spatiale du potentiel, ils ont mesure le travail de sortie de leurs surfaces en KFM. Ils ont ainsi note des zones de potentiels dierents, variant entre 10 et 30 mV, sur des distances de 1 mm. Toutefois cet eet n'est pas susant pour expliquer leur mesure de force. Dans notre cas, si la force additionnelle provient d'un eet de patch sur les surfaces d'inter^et, nous devrions avoir des eets dierents suivant la position de la sphere sur l'echantillon, ou suivant l'echantillon etudie. La gure 4.19 permet de comparer ces dierents cas : on ne constate pas de dierence majeure. Si le patch eect a un eet sur la force additionnelle, ce n'est en tout cas pas le plus impor-tant.

Environnement gazeux

Nos mesures etant realisees a basse pression d'helium, nous pouvons nous de-mander si cet environnement gazeux a un impact sur nos mesures. La gure 4.20 prouve que non pour ce qui est de la contribution parasite a grande distance. Environnement dielectrique

Nous avons vu dans ce chapitre que l'environnement dielectrique joue un r^ole important dans la dependance en z du potentiel de contact V0. On peut donc se

Figure 4.19 {Gradients reduits obtenus pour deux positions de la sphere sur l'echantillon d'or n1 (symboles noirs) distants d'environ 1 mm. On peut egalement comparer deux echantillons d'or dierents. On ne constate pas de dierence majeure entre les courbes.

Figure 4.20 { Gradients reduits obtenus pour dierents environnements : sous vide (courbe verte) ou sous pression partielle d'helium (10 mbar).

4.4. Mesures de la force de Casimir

Figure 4.21 { Photographies du cur de l'instrument avant et apres changement de l'environnement dielectrique. Nous avons enleve la couche d'anodisation du support du microlevier (cette couche est en rouge), metallise la bre avec une couche semi-transparente d'or, et ecrante les ceramiques piezoelectriques au moyen de cages de Faraday en cuivre.

Figure 4.22 {Inuence sur la force parasite de l'anodisation du support du levier (courbe noire), de la metallisation de la bre (courbe orange) ou de la presence d'une cage de Faraday autour de l'excitateur piezoelectrique (aussi appele dither ) et du scanner (courbe bleue).

Figure 4.23 {Suppression de la force additionnelle par modication de l'environnement dielectrique (metallisation de la bre et ecrantage des charges presentes dans les ceramiques piezoelectriques).

demander si l'anodisation du support du microlevier, la bre et la presence de ce-ramiques piezoelectriques, en particulier l'excitateur mecanique et le scanner, ont une inuence sur la force additionnelle (cf. gure 4.21). La gure 4.22 montre que changer un seul parametre a la fois ne supprime pas la force parasite.

Par contre, en changeant completement l'environnement dielectrique, c'est-a-dire en mesurant avec une bre metallisee et des cages de Faraday sur les ceramiques piezoelectrique les plus proches, on supprime la force additionnelle (cf. gure 4.23). Conclusion

On a vu que la force residuelle, c'est-a-dire la force mesuree en compensant le potentiel de contact V0, ne correspond pas a la force de Casimir seule : une deuxieme contribution, dominante a grande distance, est presente. Par dierentes mesures, nous avons pu determiner l'origine de cette force : elle est issue des charges presentes dans les dielectriques. Un ecrantage de toutes les charges les plus proches (par metallisation de la bre et par des cages de Faraday) a permis de la supprimer.