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

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

Deutsch. 5 Französisch. 3. Englisch. -. Italienisch. 5. Geschichte. 6 Deutsch 5 Französisch 3 Englisch - Italienisch 5 Geschichte 6 Geographie 4 Algebra 6 Geometrie 6 Darstellende Geometrie 6 Physik 6 Chemie 5 Naturgeschichte 5 Kunstzeichnen 4 Technisches Zeichnen 4 http://www.aip.org/history/einstein/ http://www.einstein-website.de/z_kids/print/p_certificatekids.html Tentoonstelling : “... de rest zijn details”, Einstein 1905-2005, KU Leuven, 2 maart - 8 april 2005

Le 20 août 2005 un étudiant trouve un manuscrit d’Einstein 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).

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

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 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 Glace: 273 K azote liquide: 77 K Hélium liquide: 4 K

Refroidissement d’atomes par laser 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 d’atomes 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 10-100 microkelvin = 0.00001 - 0.0001 K demo

Atomes et lumière : l’emploi de l’effet doppler dans le refroidissement Un faisceau d’atomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). La fréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons. lumière laser faisceau d’atomes

Atomes et lumière : l’emploi de l’effet doppler dans le refroidissement Un faisceau d’atomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). La fréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons. faisceau d’atomes lumière laser

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Atomes et lumière : l’emploi de l’effet doppler dans le refroidissement Un faisceau d’atomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). La fréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons. faisceau d’atomes lumière laser

Comment sauvegarder les atomes froids? À une temperature de 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 d’un piège magnétique

Le piégeage magnéto-optique: 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 Le piégeage magnéto-optique: demo

L’étape finale: le refroidissement par évaporation 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 L’étape finale: le refroidissement par évaporation Il faut extraire les atomes les plus énergétiques. Le reste aura, en moyenne, moins d’energie ce qui correspond à une température plus basse.

L’endroit le plus froid de l’univers: 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 L’endroit le plus froid de l’univers: Boston, U.S.A. Terre, système solaire galaxie: voie lactée Virgo Cluster `Le record : 500 pK

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

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

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

JILA, Boulder, Colorado: Rubidium L’observation d’un condensat de Bose-Einstein en 1995 Carl Wieman Eric Cornell JILA, Boulder, Colorado: Rubidium Wolfgang Ketterle MIT, Boston: Sodium

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 d’atomes. Les Nord-Coréens imitent chaque année les atomes dans un condensat                                                                                                                                                                      des gens dans un centre commercial se comportent comme un gaz chaud vs. cf. le laser atomique

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

Andrews et al., Science 275, 637 (1997). La figure d’interférence est due à la nature ondulatoire du condensat phase de la fonction d’onde du condensat Des raies parallèles apparaissent, comme dans l’expérience: Andrews et al., Science 275, 637 (1997).

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

Ralentir la lumière

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

Les Fermions Gaz de fermions dégénéré source: D. Jin, Physics World, April 2002. B. DeMarco and D.S. Jin, Science 285, 1703 (1999).

Tc < 0.01 TF Un condensat d’atomes fermioniques? Quand deux atomes fermioniques s’attirent, ils peuvent former une ‘molécule’ bosonique (example: les paires de Cooper). La théorie de la supraconductivité établit la température critique: longueur de diffusion =(1-10 nm) (distance inter- atomique)-1 = (0.1 m) -1 ( a<0 pour attraction ) Tc < 0.01 TF Le meilleur refroidissement de fermions2 nous donne 0.1 TF ... 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, 043414 (2002).

Changer Tc “Si Moïse ne vient pas jusqu’à la montagne, la montagne viendra à Moïse.” Il n’est pas évident d’augmenter Tc dans les supraconducteurs, et les Sumos ont encore besoin d’azote liquide pour leurs lévitations. Pour les atomes ultrafroids, il est possible d’augmenter la longueur de diffusion et donc Tc.

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, 115-195 (2004).

(grandeur de l’interaction atomique) in a 85Rb gas: Bpeak = 155.041 G,  = 10.709 G, abg =  443 a0 molecule bosonique Ebind  ħ2/(ma2) repulsion (grandeur de l’interaction atomique) longueur de diffusion gaz ideal ? attraction attraction forte augmentation de Tc champ magnétique 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, 1795-1798 (2000).

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

condensation dans un gaz condensat de Bose-Einstein de molecules from S.Inouye et al.; Nature 392, 151 (‘98). condensation dans un gaz fermionique 2003 BEC 1995 M.W. Zwierlein et al., Phys. Rev. Lett. 91, 250401 (2003).

Observation de vortex dans le régime BEC/BCS 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, 1047-1051 (23 June 2005).

4/ au-delà des supraconducteurs solides La température critique est réglable Le géometrie du piègeage, et la dimensionalité est réglable Le nombre d’atomes 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, 030401 (2006); M. Zwierlein et al. Science 311, 492 (2006); G. B. Partridge et al., Science 311, 503 (2006).

Gaz Fermioniques avec déséquilibre de spins : La théorie TFVS Gaz Fermioniques avec déséquilibre de spins : La théorie resultat théoriques: Clogston (1962) – Un déséquilibre supérieur a EF> détruit la supraconductivité (“limite de clogston”) E Sarma (1963) – la supraconductivité réapparait pour une temperature T>0: un condensat équilibré + les excitations thermiques spin-polarisés. EF Fulde,Ferell & Larkin,Ovchinnikov (1964) – des paires de Cooper avec impulsion (de centre de masse)  0 k0

Gaz Fermioniques avec déséquilibre de spins : L’expérience TFVS Gaz Fermioniques avec déséquilibre de spins : L’expérience couche de gaz en état normal, aved déséquilibre de spins noyau superfluide équilibré BEC 100% 90% 80% 62% 28% 18% 10% 0% 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/0511197

Gaz Fermioniques avec déséquilibre de spins TFVS Gaz Fermioniques avec déséquilibre de spins Y. Chin et al., Phys. Rev. Lett. 97, 030401 (2006) G. B. Partridge et al., Science 311, 503 (2006). il y a un superfluide polarisé Densities Radial position le superfluide n’est pas polarisé La description des superfluides déséquilibrés necessite une théorie qui va au-delà de la theorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer

Description aves des intégrales de chemins TFVS Description aves des intégrales de chemins J.Tempere, M.Wouters, J.T. Devreese, Phys. Rev. B 75, 184526 (2007) J.Tempere, S.N.Klimin, J.T.Devreese, submitted to Phys.Rev.

Description aves des intégrales de chemins TFVS Description aves des intégrales de chemins phase normale phase superfluide Temperature/TF séparation des phases force de l’interaction interatomique (1/kFas) déséquilibre n/n

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.