Lumière et photon : onde et corpuscule Mercredi 8 décembre 2004 Lumière et photon : onde et corpuscule Jean-François Roch Département de physique de l’ENS Cachan Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire - UMR CNRS 8537 roch@physique.ens-cachan.fr

B. Emission de photon unique à la demande Plan de l’exposé A. Un peu d’histoire B. Emission de photon unique à la demande C. Dualité du photon

Un peu d’histoire pour débuter... Antiquité (Egypte, Grèce) : particules Epicure, Aristote, Euclide Moyen-âge, renaissance : ingénierie optique Al-Hazen, Roger Bacon XIIIe siècle Leonard de Vinci, Galilée) XVIIe siècle : ondes, comme des rides sur l’eau Huygens, pas de notion d’addition dépendant de la phase relative des vibrations Newton : particules modèle sophistiqué, anneaux de Newton “OPTICKS, or a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light” (1704) My design in this book is not to explain the properties of light by hypotheses, but to propose and prove them by reason and experiments.

XIXe siècle : triomphe des ondes Thomas Young (1773-1829) Augustin Fresnel (1788-1827) interférences, diffraction, polarisation

Au tournant du XXe siècle James Clerk MAXWELL (1870) La lumière est un champ électromagnétique, donc une onde, qui se propage avec une célérité de 300 000 km/s (Foucault, Fizeau) Lord KELVIN (avril 1900) la physique est une science achevée avec “deux petits nuages dans le ciel bleu”

Photons : corpuscules de lumière ! Max PLANCK (1900) Etude du rayonnement thermique Lumière et matière échangent l’énergie sous forme de quanta discrets d’énergie Albert EINSTEIN (1905-1917) Effet photoélectrique Thermodynamique de l’équilibre entre matière et lumière La lumière est composée de quanta, les photons, d’énergie E=hv, de masse nulle et de quantité de mouvement p=hv/c

Un concept difficile à admettre... Ce concept de “photon” fut très difficilement admis par les physiciens, jusqu’à l’existence de preuves expérimentales irréfutables Robert A. MILLIKAN (1915) Etude de l’effet photoélectrique Résultats en accord total avec la description corpusculaire proposée par Einstein en 1905 “ I spent ten years of my life testing the 1905 equation of Einstein’s. Contrary to all my expectations, I was compelled in 1915 to assert its unambiguous experimental verification in spite of its unreasonableness, since it seemed to violate everything that we knew about the interference of light.”

Photon : onde ou/et corpuscule ? Comment réconcilier le photon avec les phénomènes ondulatoires, et en particulier les expériences d’interférences ? La lumière est une onde qui peut interférer, mais elle est également constituée de particules qui ont une énergie et une quantité de mouvement De même, des particules comme les électrons peuvent se comporter comme des ondes et produire des interférences

Ph. Grangier and A. Aspect (1986) Etats à un photon Ph. Grangier and A. Aspect (1986) expérience “textbook” d’interférence à un photon paquet d’ondes cohérent à un photon P. Grangier, G. Roger, et A. Aspect, Europhys. Lett. 1, 173 (1986)

B. Emission de photon unique à la demande Plan de l’exposé A. Un peu d’histoire B. Emission de photon unique à la demande C. Dualité du photon

Fluorescence et émission de photon

Emission d’une source “classique” Pourquoi n’observe-t-on pas usuellement ce caractère corpusculaire ? Emission simultanée et indépendante d’un grand nombre de centres émetteurs Gyorgy LIGETI Mechanical Music (1963) "poème symphonique pour 100 métronomes"

Mais cependant... L’émission “photon par photon” est a priori observable sur un émetteur unique, isolé. En 1952, Erwin Schrödinger pensait que la manipulation des objets microscopiques uniques était quelque chose d’irréaliste. “We never experiment with one electron, or atom or molecule. In thought-experiments, we sometimes assume that we do. This invariably entails ridiculous consequences...” British Journal of the Philosophy of Science (1952)

Détection de molécule unique Microscopie confocale échantillon “scanner” piezo. x,y,z Objectif de microscope x 100, ON=1.4 Laser d’excitation Miroir dichroïque filtrage spatial et spectral (décalage Stokes) efficaces APD Si Filtre réjectif diaphragme 50 μm Module comptage de photon

Fluorescence de molécule unique 1 molécule sur 10 μm2 terrylène dans un film de PMMA PMMA ~30nm verre Nombre fini de cycles absorption émission (J. Wrachtrup, Ph. Grangier...)

Centres colorés N-V du diamant atome d’azote (N) comme impureté et lacune (V) dans le site adjacent du réseau cristallin Spectre de fluorescence excitation à 514 nm molécule “artificielle” parfaitement photostable à Tambiant R1, R2 = Raman scattering ZPL = Zero Phonon Line (637 nm)

Emission dans le diamant massif

Extraction efficace des photons émis Avantages des nanocristaux : - Efficacité de collection de la lumière plus grande. - Moins de lumière parasite de la matrice. - Adaptés à une optimisation de l’efficacité de collection des photons émis par le centre N-V du nanocristal.

Nanodiamants (Th. Gacoin, PMC-X) Poudre de diamant synthétique (de Beers, type Ib) taille inférieure à 5 microns 4 étapes solution colloïdale + sélection en taille lamelle de microscope silice, miroir, etc. spin-coating nanoparticules dispersées diamètre typique : 90 nm

Préparation des échantillons • Technique issue de la purification des nanotubes de carbone • L’azote est initialement présent • Irradiation électronique pour créer les lacunes • recuit à 800°C • desagrégation des particules (acide+ultrasons, propanol +PVP) • centrifugation (sélection en taille)

Taille des nanoparticules de diamant Mesure par diffusion de lumière paramètre de contrôle: vitesse de centrifugation Pas de particules de taille inférieure à environ 20 nm Des tailles plus petites peuvent être produites par détonation d’explosifs !

Dispositif expérimental Le fond de fluorescence finir par disparaître par photoblanchiment Seul le centre coloré survit !

B. Emission de photon unique à la demande Plan de l’exposé A. Un peu d’histoire B. Emission de photon unique à la demande C. Dualité du photon : biprisme de Fresnel

Interférences à un photon ICCD SPU

Par quelle voie passe le photon ? APD 2 SPU APD 1 Histogramme des coïncidences Stop TAC Start Analyseur Multicanal

Impulsions laser atténuées Statistique des photons : distribution de Poisson Histogramme des coïncidences

Paramètre de corrélation B

Conclusion - Le débat sur la nature de la lumière a joué un rôle fondamental dans l’histoire de la physique - Le concept de “photon”, introduit de manière heuristique par Einstein en 1905, se comprend aujourd’hui à travers la dualité onde/corpuscule - Ces études fondamentales sont à la base de dispositifs originaux qui commencent à trouver des débouchés (presque...) commerciaux. La manipulation du photon est aujourd’hui devenue un sujet de physique appliquée ! Elle est également à la base d’un nouveau domaine : l’information quantique

Mes plus vifs remerciements à tout le groupe “Nanophotonique quantique” à Ph. Grangier et A. Aspect (Institut d’Optique)

Merci pour votre attention

Un peu d’histoire pour débuter... Antiquité (Egypte, Grèce) : corpuscules Epicure, Aristote, Euclide Moyen-âge, renaissance : début de l’ingénierie optique (Al-hazen, Roger Bacon XIIIe siècle )

Lunette de Galilée (vers 1609) Démarche purement pragmatique

Une expérience fondamentale Ptolémée (vers 140 a.c.), Kepler (1610), Snell (1620), Descartes (1637)

Lois de la réflexion et de la réfraction Pose le problème de la nature de la lumière, et provoque un vif débat au cours du XVIIe siècle Descartes: flux de particules auxquelles on peut appliquer les lois de la mécanique Dioptrique (1637)

L’apport de Christian Huygens Traité de la lumière (Leyden, 1690) Considère la lumière comme une perturbation se propageant dans un milieu appelé “éther” Analogie avec des vagues à la surface de l’eau

Newton et la lumière “OPTICKS, or a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light” (1704) My design in this book is not to explain the properties of light by hypotheses, but to propose and prove them by reason and experiments.

Couleurs des lames minces Robert Hooke 18 juillet 1635 (île de Wight) 3 mars 1708 (Londres)

Une des contributions de Newton Dispositif aujourd’hui connu sous le nom d’anneaux de Newton Formation d’un “coin d’air” Lorsqu’on éclaire le coin, on observe une série d’anneaux concentriques, alternativement sombres et brillants

Anneaux de Newton En éclairant le coin avec diverses couleurs du spectre d’un prisme, les anneaux s’élargissent ou se contractent. Les anneaux de lumière rouge sont plus grands que les anneaux de lumière bleue. La présence de ces anneaux démontre que la lumière fait intervenir un phénomène périodique, directement lié à la couleur. Newton continue cependant à appuyer un modèle corpusculaire de la lumière (théorie de l’émission)