Energie de Casimir et transfert thermique radiatif entre surfaces nanostructurées
Johann Lussange (LKB)

Résumé :

Le sujet de cette thèse porte sur les calculs numériques de deux
observables quantiques influents à l’échelle submicrométrique : le
premier étant
la force de Casimir et le second étant le transfert thermique
radiatif. En champ proche, ces deux grandeurs physiques sont à
l’origine de nombreuses
applications potentielles dans le domaine de la nano-ingénierie.

Elles sont théoriquement et expérimentalement bien évaluées dans le
cas de géométries simples, comme des cavités de Fabry-Pérot formées
par deux
miroirs plans parallèles. Mais dans le cas des géométries complexes
invariablement rencontrées dans les applications nanotechnologiques
réelles,
les modes électromagnétiques sur lesquels elles sont construites sont
assujettis à des processus de diffractions, rendant leur évaluation
considérablement plus complexe.

Ceci est le cas par exemple des NEMS ou MEMS, dont l’architecture est
souvent non-triviale et hautement dépendante de la force de Casimir et
du
flux thermique, avec par exemple le problème de malfonctionnement
courant dû à l’adhérence des sous-composants de ces systèmes venant de
ces forces
ou flux. Dans cette thèse, je m’intéresse principalement à des profils
périodiques de forme corruguée ---c’est-à-dire en forme de créneaux---
qui
posent d’importantes contraintes sur la simplicité de calcul de ces
observables.

Après une revue fondamentale et théorique jetant les bases
mathématiques d’une méthode exacte d’évaluation de la force de Casimir
et du flux
thermique en champ proche centrée sur la théorie de diffusion, la
seconde et principale partie de ma thèse consiste en une présentation
des
estimations numériques de ces grandeurs pour des profils corrugués de
paramètres géométriques et de matériaux diverses. En particulier,
j’obtiens les tous premiers résultats exacts de la force de Casimir
hors-équilibre-thermique et du flux thermique radiatif entre des
surfaces
corruguées. Je conclus par une proposition de conception d’un
modulateur thermique pour nanosystèmes basée sur mes résultats.

Abstact :

The subject of this thesis is about the numerical computations of two
influent quantum observables at the nanoscale : the Casimir
force and the radiative heat transfer. In near field, these two
physical quantities are at the origin of numerous potential
applications in the field of nano-engineering.

They are theoretically and experimentally well evaluated in the case
of simple geometries such
as Fabry-Pérot cavities, which consist in two parallel plane mirrors
separated by vacuum. But in the case of the more complex geometries
which are
unavoidably encountered in practical nanotechnological applications,
the electromagnetic modes from which they are derived are subject to
scattering
processes which make their evaluation considerably more complex.

This is for instance the case of NEMS and MEMS, whose general
architecture is often
non-trivial and highly dependent on the Casimir force and radiative
heat flux, with for example the often encountered problem of stiction
in these
nano-devices. In this thesis I mainly focus on corrugated periodic
profiles, which bring important constraints on the simplicity of the
computations
associated with these observables.

After a fundamental review of the mathematical foundations of an exact
method of computation of the Casimir force and of the heat flux based
on
scattering theory, I present in the second part of this thesis the
results of the numerical calculations of these quantities for
corrugated
profiles of various geometrical parameters and for different
materials. In particular, I obtain the very first exact results of the
out-of-thermal
equilibrium Casimir force and of the radiative heat flux between
corrugated surfaces. I conclude with a proposal for the design of a
thermal
modulator device for nanosystems based on my results.