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La matière proche du zéro absolu Renaud Mathevet Groupe atomes ultrafroids Université Paul Sabatier - Toulouse conférence de l'école buissonnière Saint.

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1 la matière proche du zéro absolu Renaud Mathevet Groupe atomes ultrafroids Université Paul Sabatier - Toulouse conférence de l'école buissonnière Saint Agrève 6 juillet 2011

2 Plan de lexposé Ondes et particules Refroidissement laser Atomes et température

3 1 ère partie atomes et température

4 Existence des atomes Marcellin Berthelot ( ) chimiste, professeur au collège de france, ne croyait pas aux atomes... James Clerk Maxwell ( ) Ludwig Boltzmann ( ) fondateurs de la thermodynamique statistique Robert Brown ( ) Albert Einstein ( ) Jean Perrin ( ) le mouvement brownien (1908) Kanada sage hindou (vers -600) Démocrite ( ) Lucrèce ( )

5 Voir les atomes microscopies de champ proche microscope électronique

6 Théorie cinétique des gaz Pression Température Gaz échelle macroscopique échelle microscopique entre deux collisions: distance 8nm temps 8ns d 3 nm 350m/s

7 Température T amb. = ½m = ½ k B T °CK 273, ,15 William Thomson Lord Kelvin ( ) Anders Celsius ( )

8 Transitions de phase interactions agitation (T) solideliquide T TcTc

9 Frise des températures ,15 0 K 4,2 N 2liq He liq 273,15 H 2 O liq T/70 en dessous de 1µK=0, K

10 2 ème partie ondes et particules

11 T t période Ondes à la surface de leau des ronds dans leau… x M x longueur donde

12 diffraction obstacle particules onde « éparpillement »

13 Interférences superposition particules onde Isaac Newton ( ) Christian Huygens ( )

14 Trous de Young (1801) constructive destructive Thomas Young ( ) La lumière est donc une onde Trous dYoung ? x = 0,4 -0,8 µm

15 Deux expériences troublantes Heinrich Hertz ( ) énergie des e - fréquence de la lumière Max Planck ( ) quantum dénergie h Effet photoélectrique (1887) Rayonnement du corps noir (1899) métal e-e- lumière e-e- e-e- seuil

16 Le photon (1905) Albert Einstein ( ) Prix Nobel 1921 métal onde lumineuse e-e- e-e- e-e- métal Photons E=h e-e- e-e- e-e- énergies e-e- photons e-e- interactionsexcès W W électrons: E e- =h -W La lumière serait formée de particules?

17 Mécanique ondulatoire (1924) Louis de Broglie ( ) Prix Nobel 1929 fréquence x rayon lumineuxlongueur donde ondes énergie E p impulsion particules trajectoire Planck-Einstein E=h/T p=h/ onde corpuscule Période T

18 Dualité onde-corpuscule

19 Mécanique quantique (1926) Erwin Schrödinger ( ) Prix Nobel 1933 Werner Heisenberg ( ) Prix Nobel 1932 Paul Dirac ( ) Prix Nobel 1933 r E … E0E0 E1E1 E7E7 r E E0E0 E1E1 r e-e- v a0a0 a0a0

20 … énergie E1E1 E2E2 E3E3 E4E4 Transitions électroniques émission absorption énergie E1E1 E2E2 E3E3 E4E4 … h =E 2 -E 1

21 Question déchelle r E a0a0 a0a0 a nm Na = h/mv 0.05 nm v 300 m/s

22 Interférences quantiques Na 2 Interférences de molécules de Na 2 Groupe de David Pritchard m 100nm C 60 F 48 Groupe de Anton Zeilinger et Markus Arndt 2003 Interférences datomes de Ne* Groupe de Fujio Shimizu 1992 onde? corpuscule? = h/mv 0.01 nm Prochaine étape: virus?

23 Pourquoi refroidir? si T ½m = ½ k B T 3232 =h/mv

24 3 ème partie refroidissement laser

25 Collision Pendule de Newton M m V avant m M v après Conservation de limpulsion p mV=Mv

26 Cycle radiatif émission M p=h/ M vrvr vrvr M Mv r =h/ 87 Rb : v r 6 mm/s absorption h =E 2 -E 1 énergie impulsion aléatoire

27 Pression de radiation v i 300 m/s v r 6 mm/s 87 Rb 780 nm (IR) P 50 mW N= m/s 0 m/s en ? =60 ns 3 ms !!!!

28 Prix Nobel 1997 "for development of methods to cool and trap atoms with laser light". Steven Chu Claude Cohen-TannoudjiWilliam D. Phillips Doppler Zeeman L 1m v 10 m/s z Effet v 300 m/s

29 Les lasers

30 La manip Four Gamelle Ralentisseur

31 Piège magnéto optique v à 3D Effet Zeeman B x Effet Doppler N=10 milliards T=?

32 Quelle température? 30 mm 1s v T 300 m/s 3 cm/s 300 K ½m = ½ k B T 3232 / ? T= = µK = KT=30 – 300µK

33 Piège dipolaire (1986) E y Laser très puissant très rouge

34 Refroidissement évaporatif (1988) Daniel Kleppner Thomas Greytak Jook Walraven moins dénergie=plus froid plus dénergie=plus chaud or si v T donc v donc

35 Condensation de Bose-Einstein (1) Albert Einstein ( ) bosons d Satyendra Nath Bose ( ) photons conditions usuelles d 8nm 0.01nm T

36 T = T c Condensation de Bose-Einstein (2) interférences quantiques onde unique E0E0 E1E1 E2E2 E3E3 E4E4 E0E0 E1E1 E2E2 E3E3 E4E4 état unique d

37 Condensation de Bose-Einstein (3) Groupe dHélène Perrin Université Paris Nord Villetaneuse Groupe de Tilman Esslinger ETH Zurich

38 "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. CornellWolfgang KetterleCarl E. Wieman Prix Nobel 2001 Rubidium Groupe E. C et C. W Boulder, Colorado Sodium Groupe W. K. MIT

39 Quelques résultats T>T c T

40

41 Pression avant le choc après le choc p part. p paroi

42 Superfluidité (1937) Piotr Kapitza ( ) 4 He: T c =2.2K

43 Modèle planétaire (1913) Niels Bohr ( ) = qq Å = qq 0.1 nm = qq µm Spectres: solaire, hydrogène, hélium

44 Supraconductivité (1911) Heike Kamerlingh Onnes ( ) YBaCuO Tc=90K (N 2liq : 77K) Georg Bednorz Karl Alexander Müller LaBaCuO (1986) Prix Nobel 1987 Hg: Tc=4,2K Record: 134K ( HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 ) Maglev de Shangai

45 Frise des températures ,15 0 K 4,2 2,2 N 2liq He liq 273,15 H 2 O liq T/125 en dessous de 1µK=0, K

46 Effet Doppler (1842) Christian Doppler ( ) plus aigu plus grave la fréquence reçue par latome dépend de sa vitesse

47 Effet Zeeman (1896) e-e- B E0E0 r E E1E1 B=0 B0 Le champ magnétique modifie la fréquence propre de latome B Pieter Zeeman ( )

48 Ralentisseur à effet Zeeman (1981) 87 Rb z v B Doppler Zeeman L 1m v 10 m/s z Effet v 300 m/s William D. Phillips (1948-)

49 Mélasses optiques (1985) v F tot =0 v Steven Chu (1948-) à 3D Cliché original Effet Doppler

50 Expérience vs théorie théorie mesures 240 µK 23 µK Claude Cohen-Tannoudji (1933-) Jean Dalibard (1958-)


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