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Hot Topics in Cold Atoms Jacques Tempère TFVS, Departement de physique, UA La recherche théorique sur les atomes froids à luniversité dAnvers se fait en.

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1 Hot Topics in Cold Atoms Jacques Tempère TFVS, Departement de physique, UA La recherche théorique sur les atomes froids à luniversité dAnvers se fait en collaboration avec prof.Devreese prof.Brosens prof.Lemmens dr.Wouters dr. Klimin

2 Introduction : les gaz froids 1905 : Annus mirabilis de Einstein 2005 : Année mondiale de la physique

3 Tentoonstelling :... de rest zijn details, Einstein , KU Leuven, 2 maart - 8 april 2005 Deutsch5 Französisch3 Englisch- Italienisch5 Geschichte6 Geographie4 Algebra6 Geometrie6 Darstellende Geometrie6 Physik6 Chemie5 Naturgeschichte5 Kunstzeichnen4 Technisches Zeichnen4

4 Le 20 août 2005 un étudiant trouve un manuscrit dEinstein à Leyde Théorie atomique du mouvement Brownien A. Einstein, Annalen der Physik 17, 549 (1905) Théorie quantique des gaz mono-atomiques A. Einstein, Sitzungber. Preuss. Akad. Wiss. 925, 3 (1925).

5 Points de vue microscopiques des vapeurs atomiques Condensation sans interactions Das Pauli- verbot p. x > ħ Théorie cinétique des gaz dualité onde-corpuscule

6 1/ Refroidissements records! 1000 K 100 K 10 K 1 K 0.1 K 0.01 K 1 mK 0.1 mK 0.01 mK 1 K 1 nK 0.1 K 0.01 K

7 Glace: 273 K azote liquide: 77 K 1000 K 100 K 10 K 1 K 0.1 K 0.01 K 1 mK 0.1 mK 0.01 mK 1 K 1 nK 0.1 K 0.01 K Hélium liquide: 4 K

8 1000 K 100 K 10 K 1 K 0.1 K 0.01 K 1 mK 0.1 mK 0.01 mK 1 K 1 nK 0.1 K 0.01 K Refroidissement datomes par laser Chu, Cohen-Tannoudji et Phillips ont reçu le prix Nobel de physique en 1996 pour le ralentissement des atomes à l'aide de laser. laserlicht microkelvin = K demo

9 Un faisceau datomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). La fréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons. lumière laserfaisceau datomes Atomes et lumière : lemploi de leffet doppler dans le refroidissement

10 lumière laserfaisceau datomes Un faisceau datomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). La fréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons. Atomes et lumière : lemploi de leffet doppler dans le refroidissement

11 lumière laserfaisceau datomes Un faisceau datomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). La fréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons. Atomes et lumière : lemploi de leffet doppler dans le refroidissement

12 lumière laserfaisceau datomes Un faisceau datomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). La fréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons. Atomes et lumière : lemploi de leffet doppler dans le refroidissement

13 lumière laserfaisceau datomes Un faisceau datomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). La fréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons. Atomes et lumière : lemploi de leffet doppler dans le refroidissement

14 lumière laserfaisceau datomes Un faisceau datomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). La fréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons. Atomes et lumière : lemploi de leffet doppler dans le refroidissement

15 lumière laserfaisceau datomes Un faisceau datomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). La fréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons. Atomes et lumière : lemploi de leffet doppler dans le refroidissement

16 1000 K 100 K 10 K 1 K 0.1 K 0.01 K 1 mK 0.1 mK 0.01 mK 1 K 1 nK 0.1 K 0.01 K Comment sauvegarder les atomes froids? À une temperature de 100 microkelvin il est impossible de renfermer les atomes dans un dewar: cette bouteille isolante est beaucoup plus chaude que les atomes… on aura besoin dun piège magnétique

17 1000 K 100 K 10 K 1 K 0.1 K 0.01 K 1 mK 0.1 mK 0.01 mK 1 K 1 nK 0.1 K 0.01 K demo Le piégeage magnéto-optique:

18 1000 K 100 K 10 K 1 K 0.1 K 0.01 K 1 mK 0.1 mK 0.01 mK 1 K 1 nK 0.1 K 0.01 K Létape finale: le refroidissement par évaporation Il faut extraire les atomes les plus énergétiques. Le reste aura, en moyenne, moins denergie ce qui correspond à une température plus basse.

19 `Le record : 500 pK 1000 K 100 K 10 K 1 K 0.1 K 0.01 K 1 mK 0.1 mK 0.01 mK 1 K 1 nK 0.1 K 0.01 K Lendroit le plus froid de lunivers: Boston, U.S.A. Terre, système solaire galaxie: voie lactée Virgo Cluster

20 1000 K 100 K 10 K 1 K 0.1 K 0.01 K 1 mK 0.1 mK 0.01 mK 1 K 1 nK 0.1 K 0.01 K Helsinki, Finlande Terre, système solaire galaxie: voie lactée Virgo Cluster 0.1 nK 100 picokelvin: la nouvelle frontière du froid

21 Points de vue microscopiques des vapeurs atomiques Condensation sans interactions Das Pauli- verbot p. x > ħ Théorie cinétique des gaz

22 2/ Les bosons S.N. Bose et les autres Bosons © Falguni Salkar

23 Lobservation dun condensat de Bose-Einstein en 1995 Eric Cornell Carl Wieman JILA, Boulder, Colorado: Rubidium Wolfgang Ketterle MIT, Boston: Sodium

24 vs. Les Nord-Coréens imitent chaque année les atomes dans un condensat des gens dans un centre commercial se comportent comme un gaz chaud Le condensat de Bose-Einstein Un état cohérent dans lequel tous les atomes se trouvent dans le même état quantique: les lois microscopiques deviennent applicables pour une collection macroscopique datomes. cf. le laser atomique

25 Théorie: Expérience: M. R. Andrews et al., Science 275, 637 (1997). Interférence J.Tempere, J.T.Devreese, Solid State Comm. 108, 993 (1998).

26 phase de la fonction donde du condensat Des raies parallèles apparaissent, comme dans lexpérience: Andrews et al., Science 275, 637 (1997). La figure dinterférence est due à la nature ondulatoire du condensat

27 ENS, Paris, France MIT, Cambridge MA, USA JILA, Boulder CO Condensat en rotation et vortex

28 Ralentir la lumière

29 3/ Les fermions Bon. Qui a pris deux chocolats?

30 Les Fermions source: D. Jin, Physics World, April B. DeMarco and D.S. Jin, Science 285, 1703 (1999). Gaz de fermions dégénéré

31 Un condensat datomes fermioniques? longueur de diffusion =(1-10 nm) (distance inter- atomique) -1 = (0.1 m) -1 T c < 0.01 T F Le meilleur refroidissement de fermions 2 nous donne 0.1 T F... Quand deux atomes fermioniques sattirent, ils peuvent former une molécule bosonique (example: les paires de Cooper). La théorie de la supraconductivité établit la température critique: 1 H. Heiselberg, C.J. Pethick, H. Smith and L. Viverit, Phys. Rev. Lett. 85, 2418 (2000). 2 M. Wouters, J. Tempere, J. T. Devreese, Phys. Rev. A 66, (2002). ( a<0 pour attraction )

32 Changer T c Si Moïse ne vient pas jusquà la montagne, la montagne viendra à Moïse. Il nest pas évident daugmenter T c dans les supraconducteurs, et les Sumos ont encore besoin dazote liquide pour leurs lévitations. Pour les atomes ultrafroids, il est possible daugmenter la longueur de diffusion et donc T c.

33 La résonance de Feshbach E. Tiesinga, B. J.Verhaar, and H.T.C. Stoof, Phys. Rev. A 47, 4114 (1993). R.A. Duine and H.T.C. Stoof, Atom-molecule coherence in Bose gases, Phys. Rep. 396, (2004).

34 in a 85 Rb gas: B peak = G, = G, a bg = 443 a 0 attractiongaz ideal ? repulsion attraction forte augmentation de T c molecule bosonique E bind ħ 2 /(ma 2 ) F. A. van Abeelen, D. J. Heinzen, and B. J. Verhaar, Phys. Rev. A 57, R4102 (1998). S. L. Cornish, N. R. Claussen, J. L. Roberts, E. A. Cornell, C. E. Wieman, Phys. Rev. Lett. 85, (2000). champ magnétique longueur de diffusion (grandeur de linteraction atomique)

35 Les deux limites possible pour un condensat fermionique from S.Inouye et al.; Nature 392, 151 (98). condensat de Bose-Einstein de molecules État BCS de paires de Cooper dancing people images © M. Greiner

36 condensat de Bose-Einstein de molecules BEC 1995 condensation dans un gaz fermionique 2003 from S.Inouye et al.; Nature 392, 151 (98). M.W. Zwierlein et al., Phys. Rev. Lett. 91, (2003).

37 Nature, 23 June 2005 : Observation de vortex dans le régime BEC/BCS par le laboratoire de Ketterle démontre la superfluidité des condensats fermioniques M. W. Zwierlein, J. R. Abo-Shaeer, A. Schirotzek, C. H. Schunck and W. Ketterle, Nature 435, (23 June 2005).

38 4/ au-delà des supraconducteurs solides La température critique est réglable Le géometrie du piègeage, et la dimensionalité est réglable Le nombre datomes de chaque spin est réglable spin-up spin-down spin-up spin-down formation de paires et moi? T < Tc condensat de paires Y. Chin et al., Phys. Rev. Lett. 97, (2006); M. Zwierlein et al. Science 311, 492 (2006); G. B. Partridge et al., Science 311, 503 (2006).

39 TFVS resultat théoriques: Clogston (1962) – Un déséquilibre supérieur a E F > détruit la supraconductivité (limite de clogston) E F E Sarma (1963) – la supraconductivité réapparait pour une temperature T>0: un condensat équilibré + les excitations thermiques spin-polarisés. Fulde,Ferell & Larkin,Ovchinnikov (1964) – des paires de Cooper avec impulsion (de centre de masse) 0 k 0 Gaz Fermioniques avec déséquilibre de spins : La théorie

40 TFVS 100% 90% 80% 62% 28% 18% 10% 0% noyau superfluide équilibré couche de gaz en état normal, aved déséquilibre de spins BEC BCS 100% 74% 58% 48% 32% 16% 7% 0% Fermionic Superfluidity with Imbalanced Spin Populations and the Quantum Phase Transition to the Normal State, Martin W. Zwierlein, André Schirotzek, Christian H. Schunck, Wolfgang Ketterle, cond-mat/ Gaz Fermioniques avec déséquilibre de spins : Lexpérience

41 TFVS Gaz Fermioniques avec déséquilibre de spins Y. Chin et al., Phys. Rev. Lett. 97, (2006) G. B. Partridge et al., Science 311, 503 (2006). il y a un superfluide polarisé Densities Radial position le superfluide nest pas polarisé La description des superfluides déséquilibrés necessite une théorie qui va au-delà de la theorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer

42 TFVS Description aves des intégrales de chemins J.Tempere, S.N.Klimin, J.T.Devreese, submitted to Phys.Rev. J.Tempere, M.Wouters, J.T. Devreese, Phys. Rev. B 75, (2007)

43 TFVS Description aves des intégrales de chemins Temperature/T F déséquilibre n/n force de linteraction interatomique (1/k F a s ) phase superfluide phase normale séparation des phases

44 TFVS Sommaire Depuis 1995, on a accès au régime quantique dans les gaz ultrafroids dilués Les gaz quantiques se révèlent un véritable laboratoire de mécanique quantique: ils permettent de produire des réalisations idéalisées de modèles quantiques Interactions, géométrie, et composition sont réglables avec une grande précision: non seulement peut-on réaliser les paradigmes de la mechanique quantique, mais il est également possible de porter ces systèmes dans des régimes et conditions jadis inaccessibles.


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