Vacuum friction on a rotating pair of atoms

Zero-point quantum fluctuations of the electromagnetic vacuum create the widely known London-van der Waals attractive force between two atoms. Recently, there was a revived interest in the interaction of rotating matter with the quantum vacuum. Here, we consider a rotating pair of atoms maintained by London van der Waals forces and calculate the frictional torque they experience due to zero-point radiation. Using a semi-classical framework derived from the Fluctuation Dissipation Theorem, we take into account the full electrostatic coupling between induced dipoles. Considering the case of zero temperature only, we find a braking torque proportional to the angular velocity and to the third power of the fine structure constant. Although very small compared to London van der Waals attraction, the torque is strong enough to induce the formation of dimers in binary collisions. This new friction phenomenon at the atomic level should induce a paradigm change in the explanation of irreversibility.Comment: 18 pages, 2 figures, to be published in PRL main text pp. 1 to 8, figures p. 9-10, Supplemental Material pp. 11 to 1

Endommagement laser nanoseconde en surface de la silice vitreuse

Laser-induced damage of amorphous silica is key to the success of the Laser Mégajoule project. This document summarizes measurement and tries to give physical explanations for the three types of phenomena causing a degradation of the materials: self-focusing, damage initiation on materials defects, surface damage growth.La tenue au flux laser de la silice vitreuse est une des clés de la réussite du laserMégajoule (LMJ) et de son prototype la Ligne d’Intégration Laser (LIL). Ce document fait unbilan des mesures, et tente d’apporter une explication physique pour les trois types dephénomènes conduisant à la dégradation du matériau silice : autofocalisation, amorçage surdes défauts et croissance des dommages. Il propose également des pistes de recherche pourcontinuer d’améliorer la compréhension de l’endommagement laser et la tenue au flux desoptiques.Les pics spatiaux d’intensité laser s’amplifient lors de la propagation à l’intérieur d’uncomposant à cause de la dépendance non linéaire de l’indice optique en fonction del’intensité. Ce mécanisme d’autofocalisation des points chauds produit des dommages sur laface de sortie lorsque le produit intensité×longueur atteint une valeur seuil. Pour une duréed’impulsion de l’ordre de 3 nanosecondes, à la longueur d’onde de 351 ou 355 nm (3w), lesdommages sont apparus sur la face arrière au-delà d’un produit intensité×longueur de 16GW/cm : ce produit correspond par exemple à une intensité crête de 4 GW/cm² se présentantà l’entrée d’un hublot de 4 cm d’épaisseur. Les distances d’autofocalisation mesurées sontdeux fois plus courtes que la prédiction théorique disponible, à 3w comme à 1w. Une thèseportant sur la modélisation de ces phénomènes est en cours au CEA/DIF, dans le but decomprendre et de réduire cet écart.Aux fluences et intensités de fonctionnement de la LIL, en dehors des zones de pointschauds laser, les dommages apparaissent en surface, sur des défauts du matériau. Lamétrologie de l’endommagement laser a dû évoluer pour permettre une mesure répétable etcomparable des populations de défauts amorçant le phénomène. Pour rendre ces mesuresreproductibles, la compréhension physique des processus d’interaction et de dégradation estindispensable.Les fractures, dues à l’action mécanique de l’ébauchage et du polissage, sontprobablement responsables de l’amorçage des dommages. À l’issue du procédé de polissage,les surfaces sont caractérisées par une forte densité de microfissures, mises en évidence ici pardes expériences d’indentation hertzienne. Lors de l’indentation avec une sphère de diamant dedimension similaire aux dommages laser, soit une dizaine de micromètres de rayon, des cônesde Hertz sont engendrés à partir de microfissures d’une centaine de nanomètres de longueur.L’amorçage des fractures hertziennes nécessite une densité surfacique d’énergie mécaniqueminimale, quel que soit le rayon de la sphère. Lorsque celui-ci diminue, la compétition entrela densification sous pression et la fracturation conduit également à une dimension de contactminimale pour fracturer, et donc à un seuil d’énergie mécanique déposée.Un modèle électromagnétique et thermomécanique monodimensionnel a été développépour simuler l’interaction laser/fracture. Ce modèle permet de comprendre des expériencesd’amorçage de l’endommagement laser à 3w réalisées sur des sites d’indentation.L’absorption due aux défauts atomiques présents sur la surface de fracture entraîne unéchauffement de la silice environnante. La silice chaude absorbe le faisceau et s’évapore. Lapression causée par la vapeur dans la fissure produit une onde de choc. Pour les durées2d’impulsion de 5 à 16 ns, un endommagement important de la surface est observé pour uneintensité laser de l’ordre de 4 GW/cm² qui, d’après le modèle, crée un choc atteignant la limiteélastique d’Hugoniot. Pour les courtes durées d’impulsion, entre 2.5 et 5 nanosecondes,l’endommagement a lieu à des intensités plus élevées, ce qui est interprété comme la nécessitéd’un dépôt surfacique d’énergie minimum pour fracturer en profondeur. Ces deux régimes, àlongue et courte durée d’impulsion, sont très différents de la loi d’échelle souvent évoquée, oùla fluence d’endommagement varie comme la racine carrée de la durée d’impulsion t. Maisleur effet moyen peut se confondre avec la loi en t^1/2 .L’absorption initiale reste le point le plus obscur de ce mécanisme : elle faitactuellement l’objet d’une thèse en collaboration entre l’Institut de Chimie de la MatièreCondensée de Bordeaux et le CEA/CESTA. Lorsque des fractures coniques ont été amorcées, elles constituent des sitesd’absorption du faisceau laser durant les tirs successifs. Un modèle thermomécanique quasistatiquea été conçu pour calculer la propagation d’une fissure chaude sous l’effet de lapression interne de vapeur de silice. Une densité d’énergie de l’ordre de 0.1 à 1 J/cm² estsuffisante pour propager une fissure isolée. La propagation en profondeur d’une fractureconique se produit pour un seuil de fluence laser comparable en ordre de grandeur avec leseuil de croissance des dommages (5 J/cm² à 3w). D’après le modèle, la propagation d’unetelle fissure suit une loi exponentielle lors d’une série de tir, conformément aux mesures surles dommages de face arrière. Le modèle explique la faible croissance constatée en face avant.Plusieurs autres prédictions du modèle pourraient être testées expérimentalement. Lacroissance est limitée par la diffusion de la chaleur, depuis la fissure en direction du volumede silice. Pour une fluence laser donnée, d’après le modèle, la croissance est ralentie au-delàd’un diamètre de dommage estimé à quelques millimètres.Les fissures apparaissent à la fois comme la cause et comme la conséquence del’endommagement laser. L’amorçage de fractures profondes, de type conique, semble êtrel’évènement déterminant de l’interaction laser matériau. L’absorption d’énergie et la montéeen pression sont facilitées par les microfissures présentes. La croissance exponentielle desdommages peut être interprétée comme la propagation des fissures hertziennes due à lapression interne de vapeur de silice. Les cônes de fracturation seraient donc la plaie majeureinfligée au matériau par le faisceau. L’étude de l’indentation hertzienne, ainsi que des impactsmécaniques, fut et reste par conséquent une étape clé de la compréhension

Artificial Photosynthesis for Solar Fuels - an Evolving Research Field within AMPEA, a Joint Programme of the European Energy Research Alliance

On the path to an energy transition away from fossil fuels to sustainable sources, the European Union is for the moment keeping pace with the objectives of the Strategic Energy Technology-Plan. For this trend to continue after 2020, scientific breakthroughs must be achieved. One main objective is to produce solar fuels from solar energy and water in direct processes to accomplish the efficient storage of solar energy in a chemical form. This is a grand scientific challenge. One important approach to achieve this goal is Artificial Photosynthesis. The European Energy Research Alliance has launched the Joint Programme "Advanced Materials & Processes for Energy Applications” (AMPEA) to foster the role of basic science in Future Emerging Technologies. European researchers in artificial photosynthesis recently met at an AMPEA organized workshop to define common research strategies and milestones for the future. Through this work artificial photosynthesis became the first energy research sub-field to be organised into what is designated "an Application” within AMPEA. The ambition is to drive and accelerate solar fuels research into a powerful European field - in a shorter time and with a broader scope than possible for individual or national initiatives. Within AMPEA the Application Artificial Photosynthesis is inclusive and intended to bring together all European scientists in relevant fields. The goal is to set up a thorough and systematic programme of directed research, which by 2020 will have advanced to a point where commercially viable artificial photosynthetic devices will be under development in partnership with industr

Les choix techniques du nucléaire français : le lien historique civil-militaire

Durant le second conflit mondial, un effort de guerre intense conduit la recherche scientifique à conquérir une nouvelle forme d’énergie, démontrée de façon radicale et cataclysmique par les bombardements nucléaires américains. L’énergie de l’atome vient au monde marquée du sceau de la géopolitique, du militaire et de la science. Le développement de l’énergie nucléaire qui s’ensuit en France n’échappera pas à ces trois déterminants : tout au long des années 1945 à 1970, le lien civil-militaire est manifeste dans les technologies de réacteurs développées par les deux grandes institutions françaises en charge de cette énergie, le CEA en premier lieu et EDF dès le milieu des années 1950

An energy-based macroeconomic model validated by global historical series since 1820

International audienceGlobal historical series spanning the last two centuries recently became available for primary energy consumption (PEC) and gross domestic product (GDP). Based on a thorough analysis of the data, we propose a new, simple macroeconomic model whereby physical power is fueling economic power. From 1820 to 1920, the linearity between global PEC and world GDP justifies basic equations where, importantly, PEC incorporates unskilled human labor that consumes and converts energy from food. In a consistent model, both physical capital and human capital are fed by PEC and represent a form of stored energy. In the following century, from 1920 to 2016, GDP grows quicker than PEC. Periods of quasi-linearity of the two variables are separated by distinct jumps, which can be interpreted as radical technology shifts. The GDP to PEC ratio accumulates game-changing innovation, at an average growth rate proportional to PEC. These results seed alternative strategies for modeling and for political management of the climate crisis and the energy transition

Mean-field approach for frequency synchronization in complex networks of two oscillator types

International audienceOscillator networks with an asymmetric bipolar distribution of natural frequencies are useful representations of power grids. We propose a mean-field model that captures the onset, form, and linear stability of frequency synchronization in such oscillator networks. The model takes into account a broad class of heterogeneous connection structures and identifies a functional form as well as basic properties that synchronized regimes possess classwide. The framework also captures synchronized regimes with large phase differences that commonly appear just above the critical threshold. Additionally, the accuracy of mean-field assumptions can be gauged internally through two model quantities. With our framework, the impact of local grid structure on frequency synchronization can be systematically explored

De nouvelles technologies de l’énergie en rupture ?

International audienc