Vers un microscope de force de Casimir : mesure quantitative de forces faibles et nanopositionnement absolu

Quantum electromagnetic field fluctuations of the vacuum generate an outstanding mechanical effect between two macroscopic objects, whatever their shapes and materials: the Casimir force. This force has been predicted in 1948 by a dutch physicist who gave it his name. Computation was first carried out with two parallel perfect flat mirrors, separated by gap d.Since its theoretical prediction, this phenomenon has been the focus of numerous scientific communities, from cosmologists, quantum electromagnetic field or gravitational field theorists to micro/nano mechanical systems designers. On one hand this force raises numerous issues at the interface of gravitation physic and quantum electromagnetic field theory since vacuum energy do not fulfill properly commitments of both theories. On the other hand it plays major role in the operation of submicrometric mechanical devices that are currently under investigation and that are expected to revolutionize the whole microelectronic industry. Current theoretical studies aim at understanding impact of boundary conditions on the behaviour of this quantum phenomenon. Experimental project here developed is motivated by the prospect of monitoring force intensity when altering field matter coupling. To this purpose, the project consisted in designing a specific set up capable of measuring weak force between nanostructured surfaces in order to complement boundary conditions effects studies. Gauthier Toricelli implemented specific force probe during his thesis: it consists of an AFM microlever with a gold coated sphere glued at its end. Theoretical and experimental studies have first been carried out to determine properly its mechanical behaviour when coupling to environment including detection devices. Calibration method is a key point of the present work. Calibration accuracy have to be close to percent range to ensure a reliable theory to experiment comparison. Some Casimir force measurements are displayed at the end of the manuscript: they are in compliance with theoretical model within experimental uncertainties. This work finally demonstrates our ability to studying Casimir force between nanostructured surfaces.Les fluctuations quantiques de point zéro du champ électromagnétique (EM) produisent un effet mécanique remarquable entre deux objets macroscopiques, quelles que soient la forme et la nature de leurs matériaux : la force de Casimir, du nom du physicien hollandais qui en 1948 prédit l'existence d'une force attractive dans la configuration idéale de deux miroirs plans parfaits, neutres et parallèles. Depuis sa mise en évidence théorique, cet effet attire l'intérêt de communautés scientifiques d'horizons tous azimuts, des cosmologistes aux concepteurs de micro/nanosystèmes mécaniques en passant par les physiciens de la théorie quantique des champs et de la gravitation. Cette force qui se situe au coeur de nombreux problèmes actuels de physique théoriques, à l'interface de la physique de la gravitation et de la théorie quantique des champs (divergence de l'énergie du vide), joue en effet un rôle majeur dans le fonctionnement de nanosystèmes mécaniques en cours de développement, qui sont appelés dans les années futures à révolutionner toute l'industrie de la microélectronique. Les effets des conditions aux limites imposées au champ EM soulèvent en particulier de nombreuses interrogations sur le comportement de ce phénomène quantique. Son contrôle, par ce biais, constitue ainsi l'une des principales motivations du travail expérimental développé durant cette thèse : la conception d'un appareil de mesure de forces faibles entre deux surfaces de tailles micrométriques présentant une structuration à l'échelle du nanomètre en vue de l'étude de la force de Casimir. La sonde de force, développée au cours de la thèse de Gauthier Torricelli qui a lancé cette activité dans l'équipe Piconewton, est constituée d'une micropoutre au bout de laquelle est collée une sphère de quelques dizaines de micromètres de rayon et recouverte d'or. Cette thèse propose tout d'abord une caractérisation expérimentale et théorique de son comportement mécanique en présence de son environnement et des appareils de mesure qui l'entourent. La mise au point d'une procédure de calibration de force constitue ensuite une étape incontournable pour obtenir des mesures de forces absolues et ainsi réaliser des comparaisons théorie/expérience significatives