Transcript Atomes froids David Guéry-Odelin Laboratoire Kastler-Brossel, Ecole normale supérieure, Paris.

Atomes froids
David Guéry-Odelin
Laboratoire Kastler-Brossel,
Ecole normale supérieure, Paris.
Il y a cent ans l’existence 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.
Toucher les atomes par microscopie
à balayage par effet tunnel
Voir des atomes
Température : ordres de grandeur
Eau
(pression ordinaire)
:
transitions de phase
vapeur
100°C
liquide
0°C
solide
Température et agitation
Solide
Gaz
température = dispersion en vitesse
atomes sur un réseau 3D
température = agitation «collective»
autour de la position moyenne (noeud
du réseau).
Nombre
d ’atomes
v
vitesse
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 l’état solide
Deux exceptions toutefois :
• L’hydrogène polarisé qui reste gazeux
• l’helium qui est liquide (pression ordinaire), mais qui présente
des propriétés forts surprenantes ... superfluidité
Etats métastables de la matière ...
Atomes froids : il s’agit de gaz en pratique constitué de
typiquement un milliard d’atomes voire beaucoup moins.
Les températures auquelles nous travaillons sont de l’ordre de
0,00001 degré au-dessus du zéro absolu !!!
Les atomes sur lesquels nous travaillons (Rb, Cs, Na, He, Li, ...)
sont a priori à l’état solide à ces températures.
Toutefois, on peut les conserver à l’état gazeux à ces températures
pour des durées raisonnables (plusieurs minutes), on parle de métastabilité.
Louis de Broglie (nobel 1929)
Dualité onde-corpuscule (mécanique quantique)
Exemple laser : longueur d’onde (couleur)
corpuscule = photons
l : longueur d’onde de de Broglie
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 << d i.e. comportement
« corpusculaire ».
Si T diminue, l augmente
Einstein (1924) prévoit une transition de phase :
condensation de Bose-Einstein quand l = d
Le principe de la condensation (1924)
Gaz parfait de particules matérielles (bosons)
d : distance entre particules
l : longueur d'onde thermique
T > Tc
T < Tc
l
h
2 mkT
l > d : accumulation dans le niveau fondamental, effet
collectif.
kBTc 
Écarts d’énergie entre niveaux
Einstein à Ehrenfest:
"C'est une belle théorie, mais contient-elle une vérité ?"
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 l’hélium
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
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 < 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
Les premiers condensats en 1995
TC ~ 0,0000001 K !!!!!!!!!!!!
Rubidium
C. Wieman et E. Cornell
Boulder, Colorado
Sodium
W. Ketterle
MIT
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"
Depuis 1995, un domaine en expansion …
Cs, Yb,...
> 1000
sur ces 12
derniers
mois !
300
250
Nombre de publications
contenant "Bose-Einstein"
dans leur résumé, déposées
sur le serveur de Los Alamos
200
150
100
50
0
1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001
Pourquoi cet intérêt ?
• Réalisation d'une idée d'un des pères fondateurs
de la physique moderne.
• Comportement quantique collectif à échelle
mésoscopique ou macroscopique !
Etoiles à neutrons : 1039 neutrons/cm3
Hélium liquide : 1022 atomes/cm3
Gaz d’alcalins dilués : 1014 atomes/cm3
Vers des sources d’atomes cohérentes : laser à atomes
Emission de lumière d’un atome excité
Les atomes (individuels) :
Niveaux d’énergie discrets
Spectre d’absorption = signature de l’atome
émission ou absorption =
changement d’orbite de
l’électron.
Ex : lampes au sodium
(éclairage orangé des lampes de ville)
Principe du refroidissement laser
wL
w0
Effet Doppler
wL< w0
wL+kv
v
wL< w0
wL-kv
Absorption du photon wL+kv, et réémission
équiprobable dans deux directions opposées.
Bilan : F = - a v (force de friction)
Ref laboratoire
Ref atome
Piégeage grâce à des champs magnétiques
Expériences réalisées dans des cellules
sous ultravide.
Refroidissement d’atomes
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"
Refroidissement par évaporation
d ~ 100 l
N
N / 20
T
T / 100
d~l
Durée : 1 à 100 secondes, Nf =105 à 107 atomes, Tf = 0.2 à 2 mK
Détection et signature d'un condensat
Laser
atomes
100 mm * 5 mm
0,5 à 1 mK
3 106 atomes dans un
piège magnétique anisotrope
Gaz classique
T > Tc
isotrope
Camera
CCD
Temps de vol
Condensat
T < Tc
anisotrope
Une onde de matière macroscopique
Expérience de type "fentes d’Young"
T > Tc
m=1
E
Radiofréquence 2
Radiofréquence 1
m=0
z
Cohérence quasi-parfaite : « laser à atomes »
T < Tc
Les tourbillons quantiques (prédits par Feynman, Onsager)
Groupe ENS
Juste en
dessous de la
fréquence
critique
Juste au
dessus de la
fréquence
critique
Notablement
au dessus de
la fréquence
critique
Pour de grands
Nombres d'atomes :
Réseau d'Abrikosov
Physique analogue dans l’hélium superfluide
ou certains supra-conducteurs
Ici, systèmes très « purs » :
on peut contrôler la nucléation et la décroissance de ces vortex
Manipulation d’atomes
dans des cellules très basse
pression.
Système de lasers pour
permettre la manipulation
d’atomes.
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/welcome.html
BNM
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).
Dispositif expérimental
Piège magnéto-optique
2D
Guide magnétique
Refroidissement par évaporation
au fil de l’avancée des atomes