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Le monde de linfiniment petit Bruno Lepetit Chargé de recherches CNRS Université Paul Sabatier.

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1 Le monde de linfiniment petit Bruno Lepetit Chargé de recherches CNRS Université Paul Sabatier

2 Diviser par

3 Le graphite au microscope…

4 Diviser par Diviser par Fullerene (1985) Nanotube (1991)

5 Ballet dune grenouille dans un champs magnétique (A. Geim, prix IgNobel 2000) Graphène Prix Nobel 2010 A. Geim, K. Novoselov 10 Teslas Champ terrestre : Teslas

6 500 nm Graphène (2004) Déposé sur un substrat par exfoliation Suspendu sur une tranchée ou un trou

7 Tenue mécanique exceptionnelle Hamac (virtuel) de 1 m 2 : 0.8 mg Résiste au poids dun chat (4 kg) Graphène Application possible Détecteur de gaz NEMS (NEMS : Nano Electro Mechanical System) ULTRA-SENSIBLE Sensibilité : zepto-gramme ( 1g divisé par trois fois)

8

9 Graphène semi-métal Assez bon conducteur : les électrons peuvent passer dans la bande de conduction facilement, Mais ils sont peu nombreux.

10 GraphèneGraphane Graphène Graphane Par collage dhydrogène Transformation radicale des propriétés électriques : Passage de létat conducteur à létat isolant Electronique Carbone ?

11 La boite à outils Les concepts de la mécanique quantique Les ordinateurs Les expériences

12 Histoire des concepts de la mécanique quantique 29 participants, 17 titulaires ou futurs prix Nobel

13 Le rayonnement des corps Image avec une caméra infra-rouge

14 Catastrophe ultra-violette Dispersion de la lumière émise

15 Loi de Max Planck Suppose que la lumière est produite par paquets dénergie discontinus reliés à la fréquence Energie=h.f, 2 h.f, 3 h.f… h= J.s Apparition du quantum dénergie Bizarre ! Prix Nobel 1918

16 Découverte expérimentale : Un courant apparait quand on éclaire une plaque métallique L effet photoélectrique : Lenard -1902

17 Une hypothèse : la lumière à la fréquence f est composée de paquets (quanta) dénergie hf Energie électron = Energie photon – Travail sortie Naissance du concept de Photon! L effet photoélectrique : Einstein Prix Nobel 1921 Lénergie de lélectron ne dépend que de la fréquence de la lumière, Pas de lintensité.

18 Prix Nobel 1923 L effet photoélectrique : Millikan Le rayonnement électromagnétique, typiquement ondulatoire, devient aussi corpusculaire.

19 Prix Nobel 1922 La structure de latome : Bohr Transition of n Name H-αH-βH-γH-δH-εH-ζH-η Waveleng th (nm) [2] [2] Color RedCyanBlueViolet (Ultraviol et)Ultraviol et (Ultraviol et) Formule de Balmer (empirique) expliquée par le modèle de Bohr : -Les atomes sont sur des orbites stables dénergies bien définies - ils émettent un rayonnement de fréquence f=ΔE/h

20 Louis de Broglie propose que les particules de matière (électrons par exemple) sont aussi des ondes dont la fréquence f est donnée par E/h …Comme pour les photons dEinstein Dualité onde-particule : de Broglie La matière, typiquement corpusculaire, devient aussi ondulatoire. Prix Nobel 1929

21 Léquation donde : Schrödinger Prix Nobel 1933 HΨ=E Ψ On se place dans un hyper-espace à 3N dimensions, où N est le nombre de particules On ne sait pas exactement où se trouvent les particules dans cet hyper-espace, mais on connait les probabilités de présence ici ou ici ou ici aussi

22 Principe dincertitude: Heisenberg Prix Nobel 1932 Abandonner le concept de position : on ne peut mesurer la position dune particule avec une précision infinie, de même que sa vitesse. Plus on aura de précision sur la position, moins on en aura pour la vitesse, et vice versa : Δx.Δph

23 Les concepts de la mécanique quantique : 1.La dualité onde-particule 2. Leffet tunnel 3.La non-localité

24 L'expérience des fentes d'Young commentée : comprendre la dualité onde-particule Des particules (électrons, atomes, photons) devront passer par lune des deux fentes pour atteindre l'écran

25 L'expérience des fentes d'Young commentée : comprendre la dualité onde-particule Ce que lon observe si la première fente est fermée

26 L'expérience des fentes d'Young commentée : comprendre la dualité onde-particule Ce que lon observe si la deuxième fente est fermée

27 L'expérience des fentes d'Young commentée : comprendre la dualité onde-particule Quand les deux fentes sont ouvertes, on s'attend à observer ceci…

28 L'expérience des fentes d'Young commentée : comprendre la dualité onde-particule

29 L'expérience des fentes d'Young commentée : comprendre la dualité onde-particule Interférences constructivesInterférences destructives Un comportement typiquement ondulatoire

30 Fentes d'Young L'expérience des fentes d'Young commentée : comprendre la dualité onde-particule Manuel Joffre 1.1

31 Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique, application à la Microscopie Montagne russe Chariot En physique classique : lexemple de la montagne russe

32 Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique, application à la Microscopie Energie cinétique Si on fournit une vitesse initiale trop petite au chariot …

33 Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique, application à la Microscopie Celui-ci fera demi-tour une fois sa hauteur maximale atteinte et ne passera pas de lautre coté de la barrière de potentiel

34 Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique, application à la Microscopie Effet tunnel Manuel Joffre 1.5

35 En 1981, G. Binnig et H. Rohrer construisent le microscope à effet tunnel Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique, application à la Microscopie Microscopie Manuel Joffre 1.6

36 Nickel Platine Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique, application à la Microscopie Images de la microscopie tunnel

37 La non localité en mécanique quantique La polarisation de la lumière Le cinéma 3D : 2 films pris simultanément, avec un écartement correspondant à celui des yeux 2 images polarisées sur lécran Lunettes avec filtres polariseur Chaque œil ne voit quune image

38 La non localité en mécanique quantique Expérience de pensée Einstein-Podolski-Rosen 1935 Un atome émet 2 photons corrélés : un vers la gauche, un vers la droite la polarisation de chaque photon est inconnue : 50 % de chance quelle soit H, 50 % de chance quelle soit V MAIS si je trouve le photon de gauche H : celui de droite est toujours V si je trouve le photon de gauche V : celui de droite est toujours H

39 En dautres termes : Avant la mesure à gauche : létat à droite est indéfini Après la mesure à gauche : létat à droite est défini Bohr et Einstein, 1930 La mesure fait passer le système dune potentialité à une réalité. Il y a une interaction non locale instantanée. Dieu ne joue pas aux dés. Il y a des variables cachées qui définissent complètement le système dès lémission des photons.

40 La non localité en mécanique quantique 1964 : John Bell trouve une quantité B qui : 1. est mesurable 2. est inférieure ou égale à deux si la théorie des variables cachées dEinstein est correcte Clauser Aspect B=2.697 ± 0.05 Quand lexpérience de pensée devient réalité… La théorie quantique est non locale !

41 Et maintenant… Science Technoscience 1.De la compréhension à la maitrise de la matière à léchelle du nanomètre nanotechnologies 2.Maitrise de linformation et de son transport : « téléportation quantique» « cryptographie quantique » « informatique quantique »… Le test sans faille des inégalités de Bell qui est au départ une expérience de nature philosophique aura immédiatement une application pratique, avec des retombées financières » (Antonio Arcin)


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