Modélisation du rayonnement thermique par une approche électromagnétique : rôle des ondes de surface dans le transfert d'énergie aux courtes échelles et dans les forces de Casimir

par Jean-Philippe Mulet

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Jacques Greffet.

Soutenue en 2003

à Paris 11 .

mots clés

• Fluctuation-dissipation
• Electromagnétisme
• Transferts radiatifs
• Nanostructures

Résumé

La modélisation du rayonnement thermique peut être introduite, dans le cadre de l'électromagnétisme, en faisant deux hypothèses supplémentaires: la localité de la constante diélectrique et l'équilibre thermodynamique local. Cette approche est nécessaire pour des systèmes de taille sub-longueur d'onde et tient compte du phénomène d'ondes de surface pouvant exister pour certains matériaux. Nous étudions, tout d'abord, la densité d'énergie électromagnétique au-dessus d'une interface plane. Pour un matériau supportant des ondes de surface, cette densité d'énergie en champ proche est quasi monochromatique à la fréquence de résonance du polariton et augmentée de plusieurs ordres de grandeur par rapport à sa valeur en champ lointain. Nous utilisons ces propriétés pour dimensionner une expérience de spectroscopie locale d'émission thermique. Nous présentons également une source de rayonnement thermique dont l'émission est cohérente spatialement et temporellement. Des mesures expérimentales réalisées sur un réseau de carbure de silicium, en excellent accord avec la théorie, montrent que cette source est le premier exemple de source thermique présentant l'"effet Wolf". Ensuite, nous étudions les transferts radiatifs aux courtes échelles dans deux types de géométrie: plan/plan et plan/sphère. Pour divers matériaux supportant des ondes de surface, le transfert radiatif en champ proche est quasi monochromatique et augmenté de plusieurs ordres de grandeur par rapport à sa valeur radiométrique, pouvant atteindre le niveau de la conduction. Une application au chauffage localisé est alors envisagée. La dynamique de la relaxation électronique dans des nanoparticules métalliques est également étudiée. Enfin, nous abordons les forces de Casimir entre deux plans. Dans la limite électrostatique, nous montrons que la force est entièrement due à l'interaction de polaritons couplés, certains modes "liants" conduisant à une force attractive et d'autres "anti-liants" à une force répulsive.

Titre traduit

Study of thermal radiation using an electromagnetic approach : role of surface waves in radiative heat transfer at short length scale and in Casimir forces

Résumé

Modelling of thermal radiation can be introduced in the framework of electromagnetism, doing two additional hypotheses: locality of the dielectric constant and local thermal equilibrium. This approach must be used to deal with subwavelength systems and takes into account the phenomenon of surface waves, supported by Barrie media. In a first part, we study the electromagnetic energy density above a plane interface. For a material supporting resonant surface waves, this energy density in the near field is quasi-monochromatic and enhanced by several orders of magnitude compared to its far-field value. We used these properties to design a near-filed experimental setup for local spectroscopy of thermal emission. We present as well a source of thermal radiation whose emission is spatially and temporally coherent, what is a very unexpected behaviour for a thermal source. Experimental measurements done with a lamellar grating of silicon carbide, in excellent agreement with theoretical predictions, show that this source is the first example of thermal source exhibiting the "Wolf's effect". Afterwards, we study in detail radiative transfer at short length scales for two kinds of geometry: two planes separated by a small vacuum gap and a particle in vacuum above a plane interface. For differents materials supporting surface waves, radiative transfer in the near field is quasi-monochromatic and enhanced by several orders of magnitude compared to its radiometric value, reaching even the same level as transfer by ballistic conduction. An application to local heating is then considered. Electron relaxation dynamics in metallic nanoparticles is also studied. Finally, we deal with the problem of Casimir forces between two plates at zero temperature. In the electrostatic limit, we show that these forces are completely due to the interaction between coupled polaritons, some "bounding" modes leading to an attractive force and some other "anti-bounding" modes leading to a repulsive force.