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

Plan de l’exposé Atomes et température Ondes et particules Refroidissement laser

1ère partie atomes et température

Existence des atomes Kanada sage hindou (vers -600) Démocrite (-460 -370) Lucrèce (-98 -54) Marcellin Berthelot (1827-1907) chimiste, professeur au collège de france, ne croyait pas aux atomes ... James Clerk Maxwell (1831-1879) Ludwig Boltzmann (1844-1906) fondateurs de la thermodynamique statistique Robert Brown (1773-1858) Albert Einstein (1879-1955) Jean Perrin (1870-1942) le mouvement brownien (1908)

Voir les atomes microscope électronique microscopies de champ proche

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

Température <ec>= ½m<v2>= ½ kBT °C K 100 373,15 Tamb. 25 William Thomson Lord Kelvin (1824-1907) Tamb. 25 ≈ 300 273,15 <ec>= ½m<v2>= ½ kBT 3 2 Anders Celsius (1701-1744)

Transitions de phase agitation (T) interactions Tc T solide liquide

Frise des températures K 4,2 373,15 77 273,15 H2Oliq Heliq N2liq T/70 en dessous de 1µK=0,000001 K

2ème partie ondes et particules

Ondes à la surface de l’eau M x T l x t des ronds dans l’eau… longueur d’onde période

diffraction particules obstacle onde « éparpillement »

Interférences onde particules superposition Christian Huygens (1629-1695) Isaac Newton (1642-1727)

La lumière est donc une onde Trous de Young (1801) destructive constructive Thomas Young (1773-1829) Trous d’Young l=0,4 -0,8 µm x La lumière est donc une onde ?

Deux expériences troublantes énergie des e- lumière e- seuil e- e- métal Heinrich Hertz (1857-1894) fréquence de la lumière n Effet photoélectrique (1887) quantum d’énergie h n Max Planck (1858-1947) Rayonnement du corps noir (1899)

La lumière serait formée de particules Le photon (1905) métal onde lumineuse e- photons énergies n e- W métal Photons E=hn e- Albert Einstein (1879-1955) Prix Nobel 1921 interactions excès e- W électrons: Ee-=hn-W La lumière serait formée de particules ?

Mécanique ondulatoire (1924) fréquence n x l rayon lumineux longueur d’onde ondes Louis de Broglie (1892-1987) Prix Nobel 1929 Période T énergie E p impulsion particules trajectoire Planck-Einstein E=h/T p=h/l onde  corpuscule

Dualité onde-corpuscule

Mécanique quantique (1926) Erwin Schrödinger (1887-1961) Prix Nobel 1933 Werner Heisenberg (1901-1976) Prix Nobel 1932 Paul Dirac (1902-1984) r E r e- v a0 r E E0 E1 a0 l … E0 E1 E7

Transitions électroniques … énergie E1 E2 E3 E4 émission absorption énergie E1 E2 E3 E4 … h n =E2-E1

Question d’échelle l r E a0 Na l = h/mv ≈ 0.05 nm v ≈ 300 m/s a0 l ≈ a0 ≈ 0.05 nm

Interférences quantiques Na2 100nm l = h/mv ≈ 0.01 nm ≈ 1m Interférences de molécules de Na2 Groupe de David Pritchard 1994-1995 Interférences d’atomes de Ne* Groupe de Fujio Shimizu 1992 onde? corpuscule? C60F48 Groupe de Anton Zeilinger et Markus Arndt 2003 Prochaine étape: virus?

Pourquoi refroidir? ½m<v2>= ½ kBT 3 2 l si T l=h/mv

3ème partie refroidissement laser

Conservation de l’impulsion ‘’p’’ Collision M m V avant m M v après Pendule de Newton Conservation de l’impulsion ‘’p’’ mV=Mv

Cycle radiatif absorption émission énergie hn=E2-E1 impulsion aléatoire M p=h/l M vr M impulsion vr Mvr=h/l 87Rb : vr ≈ 6 mm/s

Pression de radiation t=60 ns 87Rb 3 ms !!!! 300 m/s  0 m/s en ? vi ≈ 300 m/s vr ≈ 6 mm/s l ≈ 780 nm (IR) P ≈ 50 mW N=50 000 3 ms !!!! 300 m/s  0 m/s en ? t=60 ns

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

Les lasers

La manip Ralentisseur Gamelle Four

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

Quelle température? T=30 – 300µK T= 3 µK =0.000 003 K <v> ≈ 30 mm 1s ½m<v2>= ½ kBT 3 2 v T 300 m/s 300 K 2 /10 000 /10 000 =100 000 000 ? 3 cm/s T=30 – 300µK T= 3 µK =0.000 003 K

Piège dipolaire (1986) Laser très puissant très ‘’ rouge ’’ E y

Refroidissement évaporatif (1988) Daniel Kleppner Thomas Greytak Jook Walraven plus d’énergie=plus chaud moins d’énergie=plus froid T donc v l or si v l donc

Condensation de Bose-Einstein (1) Satyendra Nath Bose (1894-1974) 1924 - photons l d Albert Einstein (1879-1955) 1925 - bosons conditions ‘’usuelles’’ d ≈ 8nm l ≈ 0.01nm T  l

Condensation de Bose-Einstein (2) T = Tc d ≈l interférences quantiques onde unique E0 E1 E2 E3 E4 E0 E1 E2 E3 E4 état unique

Condensation de Bose-Einstein (3) Groupe d’Hélène Perrin Université Paris Nord Villetaneuse Groupe de Tilman Esslinger ETH Zurich

Prix Nobel 2001 Eric A. Cornell Carl E. Wieman Wolfgang Ketterle "for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates". Rubidium Groupe E. C et C. W Boulder, Colorado Sodium Groupe W. K. MIT

Quelques résultats T>Tc T<Tc

Pression avant le choc après le choc ppart. pparoi

Superfluidité (1937) Piotr Kapitza (1894-1984) 4He: Tc=2.2K

Modèle planétaire (1913) Niels Bohr (1885-1962) = qq Å = qq 0.1 nm = qq 0.0001 µm Spectres: solaire, hydrogène, hélium

Heike Kamerlingh Onnes Supraconductivité (1911) Hg: Tc=4,2K Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) YBaCuO Tc=90K (N2liq: 77K) Record: 134K (HgBa2Ca2Cu3O8) Georg Bednorz Karl Alexander Müller LaBaCuO (1986) Prix Nobel 1987 Maglev de Shangai

Frise des températures 2,2 K 4,2 373,15 77 134 273,15 H2Oliq Heliq N2liq T/125 en dessous de 1µK=0,000001 K

la fréquence reçue par l’atome dépend de sa vitesse Effet Doppler (1842) plus aigu plus grave Christian Doppler (1803-1853) la fréquence reçue par l’atome dépend de sa vitesse

Le champ magnétique modifie la fréquence propre de l’atome Effet Zeeman (1896) B E0 r E E1 B=0 Pieter Zeeman (1865-1943) B≠0 e- B Le champ magnétique modifie la fréquence propre de l’atome

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

Mélasses optiques (1985) Ftot=0 v v Effet Doppler Steven Chu (1948-) Cliché original

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