Le monde de l’infiniment petit Bruno Lepetit Chargé de recherches CNRS Université Paul Sabatier

Diviser par 10 000 Diviser par 10 000

Le graphite au microscope…

Diviser par 100 000 000 Fullerene (1985) Nanotube (1991)

Ballet d’une grenouille Champ terrestre : 47 10-6 Teslas 10 Teslas Ballet d’une grenouille dans un champs magnétique (A. Geim, prix IgNobel 2000) Graphène Prix Nobel 2010 A. Geim, K. Novoselov

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

Tenue mécanique exceptionnelle Graphène Tenue mécanique exceptionnelle Hamac (virtuel) de 1 m2 : 0.8 mg Résiste au poids d’un chat (4 kg) Application possible Détecteur de gaz NEMS (NEMS : Nano Electro Mechanical System) ULTRA-SENSIBLE Sensibilité : zepto-gramme ( 1g divisé par 100 000 000 trois fois)

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

Graphène  Graphane Graphène Graphane Par collage d’hydrogène Transformation radicale des propriétés électriques : Passage de l’état conducteur à l’état isolant Electronique Carbone ?

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

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

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

Catastrophe ultra-violette Dispersion de la lumière émise Catastrophe ultra-violette

Loi de Max Planck - 1900 Energie=h.f, 2 h.f, 3 h.f… Suppose que la lumière est produite par paquets d’énergie discontinus reliés à la fréquence Energie=h.f, 2 h.f, 3 h.f… h=0.000000000000000000000000000000000662 J.s Prix Nobel 1918 Apparition du quantum d’énergie Bizarre !

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

L ’effet photoélectrique : Einstein -1905 Une hypothèse : la lumière à la fréquence f est composée de paquets (quanta) d’énergie hf Energie électron = Energie photon – Travail sortie Naissance du concept de Photon! Prix Nobel 1921 L’énergie de l’électron ne dépend que de la fréquence de la lumière, Pas de l’intensité.

L ’effet photoélectrique : Millikan -1916 Prix Nobel 1923 Le rayonnement électromagnétique, typiquement ondulatoire, devient aussi corpusculaire.

La structure de l’atome : Bohr - 1913 Formule de Balmer (empirique) expliquée par le modèle de Bohr : Les atomes sont sur des orbites stables d’énergies bien définies ils émettent un rayonnement de fréquence f=ΔE/h Prix Nobel 1922 Transition of n 3→2 4→2 5→2 6→2 7→2 8→2 9→2 →2 Name H-α H-β H-γ H-δ H-ε H-ζ H-η Wavelength (nm) [2] 656.3 486.1 434.1 410.2 397.0 388.9 383.5 364.6 Color Red Cyan Blue Violet (Ultraviolet)

Dualité onde-particule : de Broglie - 1924 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 d’Einstein Prix Nobel 1929 La matière, typiquement corpusculaire, devient aussi ondulatoire.

L’équation d’onde : Schrödinger - 1926 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 Prix Nobel 1933 ici ou ici aussi ou ici

Principe d’incertitude: Heisenberg - 1925 Abandonner le concept de position : on ne peut mesurer la position d’une 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.Δp≤h Prix Nobel 1932

Les concepts de la mécanique quantique : La dualité onde-particule 2. L’effet tunnel 3. La non-localité

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 l’autre coté de la barrière de potentiel

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

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

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

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 l’écran Lunettes avec filtres polariseur Chaque œil ne voit qu’une image

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 qu’elle soit H, 50 % de chance qu’elle 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

En d’autres termes : Avant la mesure à gauche : l’état à droite est indéfini Après la mesure à gauche : l’état à droite est défini La mesure fait passer le système d’une 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 l’émission des photons. Bohr et Einstein, 1930

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 d’Einstein est correcte Quand l’expérience de pensée devient réalité… B=2.697 ± 0.05 Clauser - 1978 La théorie quantique est non locale ! Aspect - 1982

Et maintenant… Science  Technoscience De la compréhension à la maitrise de la matière à l’échelle du nanomètre  nanotechnologies 2. Maitrise de l’information 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)