Mercredi 8 d

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Mercredi 8 décembre 2004
Lumière et photon onde et corpuscule
Jean-François Roch Département de physique de
lENS Cachan Laboratoire de Photonique Quantique
et Moléculaire - UMR CNRS 8537 roch_at_physique.ens-c
achan.fr
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Plan de lexposé
A. Un peu dhistoire B. Emission de photon
unique à la demande C. Dualité du photon
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Un peu dhistoire pour débuter...
Antiquité (Egypte, Grèce) particules
Epicure, Aristote, Euclide Moyen-âge,
renaissance ingénierie optique Al-Hazen,
Roger Bacon XIIIe siècle Leonard de Vinci,
Galilée) XVIIe siècle ondes, comme des rides
sur leau Huygens, pas de notion daddition
dépendant de la phase relative des
vibrations Newton particules modèle
sophistiqué, anneaux de Newton
OPTICKS, or a treatise of the reflexions,
refractions, inflexions and colours of light
(1704) My design in this book is not to explain
the properties of light by hypotheses, but to
propose and prove them by reason and experiments.
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XIXe siècle triomphe des ondes
Thomas Young (1773-1829)
Augustin Fresnel (1788-1827)
interférences, diffraction, polarisation
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Au tournant du XXe siècle
James Clerk MAXWELL (1870) La lumière est un
champ électromagnétique, donc une onde, qui se
propage avec une célérité de 300 000 km/s
(Foucault, Fizeau)
Lord KELVIN (avril 1900) la physique est une
science achevée avec deux petits nuages dans
le ciel bleu
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Photons corpuscules de lumière !
Max PLANCK (1900) Etude du rayonnement
thermique Lumière et matière échangent lénergie
sous forme de quanta discrets dénergie
Albert EINSTEIN (1905-1917) Effet
photoélectrique Thermodynamique de léquilibre
entre matière et lumière La lumière est composée
de quanta, les photons, dénergie Ehv, de masse
nulle et de quantité de mouvement phv/c
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Un concept difficile à admettre...
Ce concept de photon fut très difficilement
admis par les physiciens, jusquà lexistence de
preuves expérimentales irréfutables
Robert A. MILLIKAN (1915)
Etude de leffet photoélectrique Résultats en
accord total avec la description corpusculaire
proposée par Einstein en 1905
I spent ten years of my life testing the 1905
equation of Einsteins. Contrary to all my
expectations, I was compelled in 1915 to assert
its unambiguous experimental verification in
spite of its unreasonableness, since it seemed to
violate everything that we knew about the
interference of light.
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Photon onde ou/et corpuscule ?
Comment réconcilier le photon avec les phénomènes
ondulatoires, et en particulier les expériences
dinterférences ?
La lumière est une onde qui peut interférer, mais
elle est également constituée de particules qui
ont une énergie et une quantité de mouvement De
même, des particules comme les électrons peuvent
se comporter comme des ondes et produire des
interférences
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Etats à un photon
Ph. Grangier and A. Aspect (1986)
expérience textbook dinterférence à un photon
paquet dondes cohérent à un photon
P. Grangier, G. Roger, et A. Aspect, Europhys.
Lett. 1, 173 (1986)
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Plan de lexposé
A. Un peu dhistoire B. Emission de photon
unique à la demande C. Dualité du photon
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Fluorescence et émission de photon
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Emission dune source classique
Pourquoi nobserve-t-on pas usuellement ce
caractère corpusculaire ? Emission simultanée et
indépendante dun grand nombre de centres
émetteurs
Gyorgy LIGETI Mechanical Music (1963) "poème
symphonique pour 100 métronomes"
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Mais cependant...
Lémission photon par photon est a priori
observable sur un émetteur unique, isolé. En
1952, Erwin Schrödinger pensait que la
manipulation des objets microscopiques uniques
était quelque chose dirréaliste.
We never experiment with one electron, or atom
or molecule. In thought-experiments, we sometimes
assume that we do. This invariably entails
ridiculous consequences... British Journal of
the Philosophy of Science (1952)
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Détection de molécule unique
Microscopie confocale
échantillon
scanner piezo. x,y,z
Objectif de microscope x 100, ON1.4
Laser dexcitation
Miroir dichroïque
filtrage spatial et spectral (décalage Stokes)
efficaces
APD Si
Filtre réjectif
diaphragme 50 µm
Module comptage de photon
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Fluorescence de molécule unique
1 molécule sur 10 µm2
terrylène dans un film de PMMA
PMMA
30nm
verre
Nombre fini de cycles absorption émission
(J. Wrachtrup, Ph. Grangier...)
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Centres colorés N-V du diamant
atome dazote (N) comme impureté et lacune (V)
dans le site adjacent du réseau cristallin
Spectre de fluorescence excitation à 514 nm
molécule artificielle parfaitement photostable
à Tambiant
R1, R2 Raman scattering ZPL Zero Phonon
Line (637 nm)
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Emission dans le diamant massif
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Extraction efficace des photons émis
Avantages des nanocristaux - Efficacité de
collection de la lumière plus grande. - Moins de
lumière parasite de la matrice. - Adaptés à une
optimisation de lefficacité de collection des
photons émis par le centre N-V du nanocristal.
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Nanodiamants (Th. Gacoin, PMC-X)
Poudre de diamant synthétique (de Beers, type
Ib) taille inférieure à 5 microns
4 étapes
solution colloïdale sélection en taille
lamelle de microscope silice, miroir, etc.
spin-coating
nanoparticules dispersées diamètre typique 90 nm
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Préparation des échantillons
Technique issue de la purification des
nanotubes de carbone
Lazote est initialement présent Irradiation
électronique pour créer les lacunes recuit à
800C
desagrégation des particules (acideultrasons,
propanol PVP)
centrifugation (sélection en taille)
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Taille des nanoparticules de diamant
Mesure par diffusion de lumière
paramètre de contrôle vitesse de centrifugation
Pas de particules de taille inférieure à environ
20 nm Des tailles plus petites peuvent être
produites par détonation dexplosifs !
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Dispositif expérimental
Le fond de fluorescence finir par disparaître par
photoblanchiment Seul le centre coloré survit !
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Plan de lexposé
A. Un peu dhistoire B. Emission de photon
unique à la demande C. Dualité du photon
biprisme de Fresnel
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Interférences à un photon
SPU
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Par quelle voie passe le photon ?
APD 2
SPU
APD 1
Histogramme des coïncidences
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Impulsions laser atténuées
Statistique des photons distribution de Poisson
Histogramme des coïncidences
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Paramètre de corrélation
A
C
B
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Conclusion
- Le débat sur la nature de la lumière a joué un
rôle fondamental dans lhistoire de la physique
- Le concept de photon, introduit de manière
heuristique par Einstein en 1905, se comprend
aujourdhui à travers la dualité onde/corpuscule
- Ces études fondamentales sont à la base de
dispositifs originaux qui commencent à trouver
des débouchés (presque...) commerciaux. La
manipulation du photon est aujourdhui devenue un
sujet de physique appliquée ! Elle est également
à la base dun nouveau domaine linformation
quantique
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Mes plus vifs remerciements

• à tout le groupe Nanophotonique quantique

• à Ph. Grangier et A. Aspect (Institut dOptique)

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Merci pour votre attention
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Un peu dhistoire pour débuter...
Antiquité (Egypte, Grèce) corpuscules
Epicure, Aristote, Euclide Moyen-âge,
renaissance début de lingénierie optique
(Al-hazen, Roger Bacon XIIIe siècle )
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Lunette de Galilée (vers 1609)
Démarche purement pragmatique
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Une expérience fondamentale
Ptolémée (vers 140 a.c.), Kepler (1610), Snell
(1620), Descartes (1637)
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Lois de la réflexion et de la réfraction
Pose le problème de la nature de la lumière, et
provoque un vif débat au cours du XVIIe siècle
Descartes flux de particules auxquelles on peut
appliquer les lois de la mécanique
Dioptrique (1637)
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Lapport de Christian Huygens
Traité de la lumière (Leyden, 1690) Considère la
lumière comme une perturbation se propageant dans
un milieu appelé éther Analogie avec des vagues
à la surface de leau
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Newton et la lumière
OPTICKS, or a treatise of the reflexions,
refractions, inflexions and colours of light
(1704) My design in this book is not to explain
the properties of light by hypotheses, but to
propose and prove them by reason and experiments.
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Couleurs des lames minces
Robert Hooke 18 juillet 1635 (île de Wight) 3
mars 1708 (Londres)
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Une des contributions de Newton
Dispositif aujourdhui connu sous le nom
danneaux de Newton Formation dun coin dair
Lorsquon éclaire le coin, on observe une série
danneaux concentriques, alternativement
sombres et brillants
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Anneaux de Newton
En éclairant le coin avec diverses couleurs du
spectre dun prisme, les anneaux sélargissent ou
se contractent. Les anneaux de lumière rouge sont
plus grands que les anneaux de lumière bleue.
La présence de ces anneaux démontre que la
lumière fait intervenir un phénomène périodique,
directement lié à la couleur. Newton continue
cependant à appuyer un modèle corpusculaire de
la lumière (théorie de lémission)