Forces électro- dynamiques quantiques
Phénomènes quantiques dans les nanostructures

Comme nous l'avons constaté dans le paragraphe précédent, les nanostructures nous amènent à travailler à des échelles largement submicroniques. Lorsque deux objets deviennent très proches et ne sont plus séparés que par une distance comprise entre 10 nm et 500 nm, des forces d'interaction de surface apparaissent. Elles peuvent être répulsives comme attractives selon l'origine du phénomène concerné. En général, elles agissent simultanément et peuvent être listées comme suit :

• force de Van der Waals (1 nm à 100 nm) ;

• force de Casimir (50 nm à 1 µm) ;

• force de répulsion de Pauli (très faible rayon d'action – 0,1 nm) ;

• force électrostatique (lorsque les potentiels électriques sont différents) ;

• force de liaison chimique (très faible rayon d'action – liaison covalente, hydrogène, ionique, métallique...) ;

• force de capillarité (en atmosphère humide).

Les forces chimiques sont diverses et variées et ne seront pas plus détaillées. Leurs rayons d'action sont largement inférieurs aux dimensions considérées. Leur étude sort donc du cadre de ce texte. Lorsque des molécules ou des atomes se rapprochent au point de se recouvrir, les nuages électroniques ont alors une tendance naturelle à se repousser. C'est une illustration du principe d'exclusion de Pauli qui donne le nom à cette force répulsive. Son rayon d'action est de quelques dixièmes de nanomètres. Son étude se situe bien au-delà d'un document introductif, à des échelles inférieures à celles qui nous intéressent.

De même, nous ne parlerons pas des forces de capillarité, car les nanosystèmes étudiés ici doivent précisément fonctionner sous atmosphère sèche afin d'éviter toute capillarité. Ses effets sont néanmoins visibles à certaines étapes de fabrication des composants. La force électrostatique est, quant à elle, très classique et ne sera pas étudiée dans ce dossier. Il nous reste à regarder spécifiquement deux forces d'origine purement quantiques : Casimir et Van der Waals. La force de Casimir est étudiée en premier car c'est un élément majeur des nanosystèmes.