Prsentation PowerPoint

1
Atomes froids
David Guéry-Odelin
Laboratoire Kastler-Brossel, Ecole normale
supérieure, Paris.
2
1 _ Les atomes
3
Il y a cent ans lexistence des atomes était
controversée ...
Marcellin Berthelot, chimiste, professeur au
collège de france, ne croyait pas aux atomes ...
Boltzmann, fondateur de la thermodynamique
statistique était, lui, un atomiste convaincu.
4
Toucher les atomes par microscopie à balayage par
effet tunnel
5
Voir des atomes
6
2 _ La température
7
Température ordres de grandeur
Eau (pression ordinaire) transitions de phase
vapeur
100C
liquide
0C
solide
8
Température et agitation
Gaz
Solide
température dispersion en vitesse
atomes sur un réseau 3D température agitation
collective autour de la position moyenne
(noeud du réseau).
Nombre d atomes
vitesse
v
9
Que se passe-t-il à température quasi-nulle ?
La question ainsi posée est incomplète car il
faudrait parler également de la pression.
Dans presque tous les cas, la matière est à
létat solide

• Deux exceptions toutefois
• Lhydrogène polarisé qui reste gazeux
• lhelium qui est liquide (pression ordinaire),
  mais qui présente
• des propriétés forts surprenantes ...
  superfluidité

10
Etats métastables de la matière ...
Atomes froids il sagit de gaz en pratique
constitué de typiquement un milliard datomes
voire beaucoup moins.
Les températures auquelles nous travaillons sont
de lordre de 0,00001 degré au-dessus du zéro
absolu !!!
Les atomes sur lesquels nous travaillons (Rb, Cs,
Na, He, Li, ...) sont a priori à létat solide à
ces températures.
Toutefois, on peut les conserver à létat gazeux
à ces températures pour des durées raisonnables
(plusieurs minutes), on parle de métastabilité.
11
3 _ Pourquoi refroidir ?
12
Louis de Broglie (nobel 1929)
Dualité onde-corpuscule (mécanique quantique)
?
Exemple laser longueur donde (couleur)
corpuscule photons
l longueur donde de de Broglie
13
Pourquoi refroidir dilué (gaz) ?
Dans un gaz il y a deux échelles de longueur
la distance entre particules d la taille
de délocalisation ondulatoire des atomes l
A température ordinaire l ltlt d i.e.
comportement
  corpusculaire .
Si T diminue, l augmente
Einstein (1924) prévoit une transition de phase
condensation de Bose-Einstein quand l d
14
Le principe de la condensation (1924)
Gaz parfait de particules matérielles (bosons)
d distance entre particules
l longueur d'onde thermique
T gt Tc
T lt Tc
Einstein à Ehrenfest "C'est une belle
théorie, mais contient-elle une vérité ?"
15
4 - Histoire des basses températures
16
Bref historique des basses températures
10 juillet 1908 (Leiden) Heike Kamerlingh Onnes
liquéfie
le gaz 4He en dessous de 4.2 K.
1912 par le même groupe "On peut obtenir des
conducteurs électriques de résistance nulle"
1927 Keesom découvre que lhélium liquide existe
sous deux formes différentes
1927-1938 en dessous de 2.17 K
comportement étrange disparition de la viscosité
?!!!, le liquide ne bout plus ??!!!
Kapitza, Allen Misener
17
Un lien avec la condensation de Bose-Einstein ?
1938 London relie la superfluidité de 4He à la
CBE (Tc et Cv)
in the course of time the degeneracy of
Bose-Einstein gas has rather got the reputation
of having only a purely imaginary existence it
seems difficult not to imagine a connexion with
the condensation phenomenon of Bose-Einstein
statistics...
mais c'est un liquide, et pas un gaz parfait
fraction condensée lt 10
Supraconductivité liée au caractère bosonique
des paires de Cooper
Physique nucléaire, astrophysique (étoiles à
neutron)
Depuis 1970, recherche active de systèmes proches
du modèle d'Einstein
Hydrogène atomique, gaz d'alcalins
(H,Li,Na,K,Rb,Cs), He métastable
Gaz d'excitons dans certains semi-conducteurs
18
Les premiers condensats en 1995
TC 0,0000001 K !!!!!!!!!!!!
Sodium
Rubidium
C. Wieman et E. Cornell
W. Ketterle
MIT
Boulder, Colorado
19
La condensation de Bose-Einstein
Prix Nobel de physique 2001 attribué à E.
Cornell, W. Ketterle et C. Wieman
"for the achievement of Bose-Einstein
condensation in dilute gases of alkali atoms,
and for early fundamental studies of the
properties of the condensates"
20
Depuis 1995, un domaine en expansion
Cs, Yb,...
gt 1000 sur ces 12 derniers mois !
Nombre de publications contenant
"Bose-Einstein" dans leur résumé, déposées
sur le serveur de Los Alamos
21
Pourquoi cet intérêt ?

• Réalisation d'une idée d'un des pères
  fondateurs
• de la physique moderne.

Etoiles à neutrons 1039 neutrons/cm3 Hélium
liquide 1022 atomes/cm3 Gaz dalcalins dilués
1014 atomes/cm3
Vers des sources datomes cohérentes laser à
atomes
22
5 _ Comment refroidir jusqu'à T0,00001 K ?
23
Emission de lumière dun atome excité
Les atomes (individuels)
Niveaux dénergie discrets Spectre dabsorption
signature de latome
émission ou absorption changement dorbite de
lélectron.
Ex lampes au sodium (éclairage orangé des
lampes de ville)
24
Principe du refroidissement laser
Effet Doppler
wLlt w0
wLlt w0
v
Ref laboratoire
wLkv
wL-kv
Ref atome
Absorption du photon wLkv, et réémission
équiprobable dans deux directions opposées.
Bilan F - a v (force de friction)
25
Piégeage grâce à des champs magnétiques
Expériences réalisées dans des cellules sous
ultravide.
26
Refroidissement datomes
Prix Nobel de physique 1997 attribué à W.
Phillips, S. Chu et C. Cohen-Tannoudji
"for development of methods to cool and trap
atoms with laser light"
27
6 _ Comment passer de T0,00001 K à T0,0000001
K ?
28
Refroidissement par évaporation
d 100 l d l
Durée 1 à 100 secondes, Nf 105 à 107 atomes,
Tf 0.2 à 2 mK
29
Détection et signature d'un condensat
100 mm 5 mm
3 106 atomes dans un piège magnétique anisotrope
0,5 à 1 mK
Temps de vol
Gaz classique
Condensat
T gt Tc
T lt Tc
isotrope
anisotrope
30
Une onde de matière macroscopique
Expérience de type "fentes dYoung"
m1
E
Radiofréquence 2
Radiofréquence 1
m0
z
Cohérence quasi-parfaite  laser à atomes 
31
Les tourbillons quantiques (prédits par Feynman,
Onsager)
Physique analogue dans lhélium superfluide ou
certains supra-conducteurs
Ici, systèmes très  purs  on peut
contrôler la nucléation et la décroissance de ces
vortex
32
7 _ Conclusion atomes froids et physique quantique
33
(No Transcript)
34
(No Transcript)
35
(No Transcript)
36
(No Transcript)
37
(No Transcript)
38
Manipulation datomes dans des cellules très
basse pression.
Système de lasers pour permettre la
manipulation datomes.
39
Les membres du groupe atomes ultrafroids
Chercheurs permanents Yvan Castin,
Claude Cohen-Tannoudji, Jean Dalibard, David
Guéry-Odelin, Michèle Leduc, Christophe Salomon.
Post-doctorants et visiteurs Iacoppo
Carusotto, Johannes Vogels, Carlos Lobo, Lincoln
Carr, Jumin Wang, Sinha Subhasis, Lev Khaykovich.
Doctorants Vincent Bretin, Philippe
Cren, Julien Cubizolles, Thierry Lahaye, Jérémie
Léonard, Thomas Bourdel, Sabine Stock.
http//www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/welcom
e.html

BNM
40

Température et émission de lumière
La matière massive à température finie émet de
la lumière

Soleil spectre continu
Seule la mécanique quantique permet de comprendre
quantitativement cette émission (Planck 1900).


41
Dispositif expérimental
Piège magnéto-optique 2D
Guide magnétique
Refroidissement par évaporation au fil de
lavancée des atomes