la matière proche du zéro absoluRenaud Mathevet

Groupe atomes ultrafroidsUniversité Paul Sabatier - Toulouse

conférence de l'école buissonnièreSaint Agrève6 juillet 2011

Plan de l’exposé

Ondes et particules

Refroidissement laser

Atomes et température

1ère partie

atomes et température

Existence des atomes

Marcellin Berthelot (1827-1907)chimiste, professeur au collège de france, ne croyait pas aux atomes ...

James Clerk Maxwell (1831-1879) Ludwig Boltzmann (1844-1906)fondateurs de la thermodynamique statistique

Robert Brown (1773-1858) Albert Einstein (1879-1955)Jean Perrin (1870-1942)

le mouvement brownien (1908)

Kanada sage hindou (vers -600)Démocrite (-460 -370)Lucrèce (-98 -54)

Voir les atomes

microscopies de champ proche

microscope électronique

Théorie cinétique des gazPression Température

Gaz

échelle macroscopiqu

e

échelle microscopiqu

e

entre deux collisions: distance ≈ 8nm temps ≈ 8ns

d ≈ 3 nm

<v> ≈ 350m/s

Température

Tamb.

<ec>= ½m<v2>= ½ kBT32

0

25

100

°C K

273,15

≈ 300

373,15

William ThomsonLord Kelvin

(1824-1907)

Anders Celsius(1701-1744)

Transitions de phase

interactionsagitation (T)

solide liquide

TTc

Frise des températures

77 373,150

K4,2

N2liqHeliq

273,15

H2Oliq

T/70

en dessous de 1µK=0,000001 K

2ème partie

ondes et particules

T

t

période

Ondes à la surface de l’eau

des ronds dans l’eau…

x

M

x

longueur d’onde

l

diffraction

obstacle

particules

onde

« éparpillement »

Interférences

superposition

particules

onde

Isaac Newton(1642-1727)

Christian Huygens(1629-1695)

Trous de Young (1801)

constructive

destructive

Thomas Young(1773-1829)

La lumière est donc une onde

Trous d’Young

? x

l=0,4 -0,8 µm

Deux expériences troublantes

Heinrich Hertz(1857-1894)

énergie des e-

fréquencede la lumière

n

Max Planck(1858-1947)

quantum d’énergie

h n

Effet photoélectrique (1887)

Rayonnement du corps noir (1899)

métal

e-

lumière

e-

e-

seuil

Le photon (1905)

Albert Einstein(1879-1955)

Prix Nobel 1921

métal

ondelumineuse

e-e-

e-

métal

Photons E=hn

e-e-

e-

énergies

n

e-

photons

e-

interactions excès

W

W

électrons: Ee-=hn-W

La lumière serait formée de particules?

Mécanique ondulatoire (1924)

Louis de Broglie(1892-1987)

Prix Nobel 1929

fréquence nx

l

rayon lumineux longueur d’onde

onde

s

énergie E

p

impulsionparti

cule

s

trajectoire

Planck-Einstein E=h/T p=h/l

onde corpuscule

Période T

Dualité onde-corpuscule

Mécanique quantique (1926)

Erwin Schrödinger(1887-1961)

Prix Nobel 1933

Werner Heisenberg(1901-1976)

Prix Nobel 1932

Paul Dirac(1902-1984)

Prix Nobel 1933

rE

l…E0 E1 E7

rE

E0

E1

r

e-

v

a0

a0

…

énergie

E1

E2

E3

E4

Transitions électroniques

émission

absorption

énergie

E1

E2

E3

E4

…

h n =E2-E1

Question d’échelle

rEa0

l

a0

l ≈ a0 ≈ 0.05 nm

Na

l = h/mv ≈ 0.05 nm

v ≈ 300 m/s

Interférences quantiques

Na2

Interférences de molécules de Na2

Groupe de David Pritchard1994-1995

≈ 1m

100

nm

C60F48

Groupe de Anton Zeilinger et Markus Arndt2003

Interférences d’atomes de Ne*Groupe de Fujio Shimizu

1992

onde?corpuscule?

l = h/mv ≈ 0.01 nm

Prochaine étape: virus?

Pourquoi refroidir?

l si T

½m<v2>= ½ kBT32

l=h/mv

3ème partie

refroidissement laser

Collision

Pendule de Newton

M

m

Vavant

m

M

vaprès

Conservation de l’impulsion ‘’p’’mV=Mv

Cycle radiatifémission

M

p=h/l

M

vrvr

M

Mvr=h/l 87Rb : vr ≈ 6 mm/s

absorption

hn=E2-E1

én

erg

ieim

pu

lsio

n

aléatoire

Pression de radiation

vi ≈ 300 m/svr ≈ 6 mm/s

87Rb

l ≈ 780 nm (IR)P ≈ 50 mW

N=50 000

300 m/s 0 m/s en ?t=60 ns

3 ms !!!!

Prix Nobel 1997

"for development of methods to cool and trap atoms with laser light".

Steven Chu Claude Cohen-Tannoudji William D. Phillips

DopplerZeeman

L ≈ 1m

v ≈ 10 m/sz

Effet v ≈ 300 m/s

Les lasers

La manip

Four

Gamelle

Ralentisseur

Piège magnéto optique

v

à 3D

Effet Zeeman

B

x

Effet Doppler

N=10 milliards

T=?

Quelle température?

<v> ≈30 mm

1s

v T

300 m/s

3 cm/s

300 K

½m<v2>= ½ kBT32

/10 000 /10 000?

T=

=100 000 0002

3µK=0.000 003 KT=30 – 300µK

Piège dipolaire (1986)

E

y

Laser

très puissanttrès ‘’ rouge ’’

Refroidissement évaporatif (1988)

Daniel Kleppner

Thomas Greytak

Jook Walraven

moins d’énergie=plus froid

plus d’énergie=plus chaud

lor si v

T donc v

ldonc

Condensation de Bose-Einstein (1)

Albert Einstein(1879-1955)

1925 - bosons

l

d

Satyendra Nath Bose(1894-1974)

1924 - photons

conditions ‘’usuelles’’

d ≈ 8nm

l ≈ 0.01nm

T l

T = Tc

Condensation de Bose-Einstein (2)

interférences quantiques

onde unique

E0

E1

E2

E3

E4

E0

E1

E2

E3

E4

état unique

d ≈l

Condensation de Bose-Einstein (3)

Groupe d’Hélène Perrin

Université Paris NordVilletaneuse

Groupe de Tilman Esslinger

ETHZurich

"for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates".

Eric A. Cornell Wolfgang KetterleCarl E. Wieman

Prix Nobel 2001

RubidiumGroupe E. C et C. WBoulder, Colorado

SodiumGroupe W. K.MIT

Quelques résultats

T>Tc

T<Tc

Pression

avant le choc après le choc

ppart.

pparoi

Superfluidité (1937)

Piotr Kapitza(1894-1984)

4He: Tc=2.2K

Modèle planétaire (1913)

Niels Bohr (1885-1962)

= qq Å = qq 0.1 nm = qq 0.0001 µm

Spectres: solaire, hydrogène, hélium

Supraconductivité (1911)

Heike Kamerlingh Onnes

(1853-1926) YBaCuOTc=90K (N2liq:

77K)

Georg BednorzKarl Alexander Müller

LaBaCuO (1986)

Prix Nobel 1987

Hg: Tc=4,2K

Record: 134K (HgBa2Ca2Cu3O8)

Maglev de Shangai

Frise des températures

77 134 373,150

K4,2

2,2

N2liqHeliq

273,15

H2Oliq

T/125

en dessous de 1µK=0,000001 K

Effet Doppler (1842)

Christian Doppler

(1803-1853)

plus aigu

plus grave

la fréquence reçue par l’atome dépend de sa vitesse

Effet Zeeman (1896)

e-

BE0

r

E

E1

B=0

B≠0

Le champ magnétique modifie la fréquence propre de l’atome

B

Pieter Zeeman

(1865-1943)

Ralentisseur à effet Zeeman (1981)

87Rb

z

vB

DopplerZeeman

L ≈ 1m

v ≈ 10 m/s

z

Effet v ≈ 300 m/s

William D. Phillips(1948-)

Mélasses optiques (1985)

v

Ftot=0

v

Steven Chu (1948-) à 3D Cliché original

Effet Doppler

Expérience vs théorie

théorie

mesures240 µK

23 µK

Claude Cohen-Tannoudji(1933-)

Jean Dalibard(1958-)