Atomes froids

1. Atomes froids David Guéry-Odelin Laboratoire Kastler-Brossel, Ecole normale supérieure, Paris.

2. 1 _ Les atomes

3. Il y a cent ans l’existence des atomes était controversée ... Marcellin Berthelot, chimiste, professeur au collège de france, ne croyait pas aux atomes ... Boltzmann, fondateur de la thermodynamique statistique était, lui, un atomiste convaincu.

4. Toucher les atomes par microscopie à balayage par effet tunnel

5. Voir des atomes

6. 2 _ La température

7. Température : ordres de grandeur Eau (pression ordinaire) : transitions de phase vapeur 100°C liquide 0°C solide

8. Température et agitation Gaz Solide température = dispersion en vitesse atomes sur un réseau 3D température = agitation «collective» autour de la position moyenne (noeud du réseau). Nombre d ’atomes vitesse v

9. Que se passe-t-il à température quasi-nulle ? La question ainsi posée est incomplète car il faudrait parler également de la pression. Dans presque tous les cas, la matière est à l’état solide • Deux exceptions toutefois : • L’hydrogène polarisé qui reste gazeux • l’helium qui est liquide (pression ordinaire), mais qui présente • des propriétés forts surprenantes ... superfluidité

10. Etats métastables de la matière ... Atomes froids : il s’agit de gaz en pratique constitué de typiquement un milliard d’atomes voire beaucoup moins. Les températures auquelles nous travaillons sont de l’ordre de 0,00001 degré au-dessus du zéro absolu !!! Les atomes sur lesquels nous travaillons (Rb, Cs, Na, He, Li, ...) sont a priori à l’état solide à ces températures. Toutefois, on peut les conserver à l’état gazeux à ces températures pour des durées raisonnables (plusieurs minutes), on parle de métastabilité.

11. 3 _ Pourquoi refroidir ?

12. Louis de Broglie (nobel 1929) Dualité onde-corpuscule (mécanique quantique) ? Exemple laser : longueur d’onde (couleur) corpuscule = photons l : longueur d’onde de de Broglie

13. Pourquoi refroidir dilué (gaz) ? Dans un gaz il y a deux échelles de longueur : la distance entre particules d la taille de délocalisation ondulatoire des atomes l A température ordinaire :l << di.e. comportement «  corpusculaire ». Si T diminue, l augmente Einstein (1924) prévoit une transition de phase : condensation de Bose-Einstein quandl = d

14. Le principe de la condensation (1924) • > d : accumulation dans le niveau fondamental, effet collectif. Écarts d’énergie entre niveaux Gaz parfait de particules matérielles (bosons) d : distance entre particules l: longueur d'onde thermique T > Tc T < Tc Einstein à Ehrenfest: "C'est une belle théorie, mais contient-elle une vérité ?"

15. 4 - Histoire des basses températures

16. Bref historique des basses températures 10 juillet 1908 (Leiden): Heike Kamerlingh Onnes liquéfie le gaz 4He en dessous de 4.2 K. 1912 par le même groupe: "On peut obtenir des conducteurs électriques de résistance nulle" 1927: Keesom découvre que l’hélium liquide existe sous deux formes différentes 1927-1938 : en dessous de 2.17 K comportement étrange disparition de la viscosité ?!!!, le liquide ne bout plus ??!!! Kapitza, Allen & Misener

17. Un lien avec la condensation de Bose-Einstein ? 1938: London relie la superfluidité de 4He à la CBE(Tc et Cv) … in the course of time the degeneracy of Bose-Einstein gas has rather got the reputation of having only a purely imaginary existence …it seems difficult not to imagine a connexion with the condensation phenomenon of Bose-Einstein statistics... mais c'est un liquide, et pas un gaz parfait : fraction condensée < 10 % Supraconductivité : liée au caractère bosonique des paires de Cooper Physique nucléaire, astrophysique(étoiles à neutron) … Depuis 1970, recherche active de systèmes proches du modèle d'Einstein Hydrogène atomique, gaz d'alcalins (H,Li,Na,K,Rb,Cs), He métastable Gaz d'excitons dans certains semi-conducteurs

18. Les premiers condensats en 1995 TC ~ 0,0000001 K !!!!!!!!!!!! Sodium Rubidium C. Wieman et E. Cornell W. Ketterle MIT Boulder, Colorado

19. La condensation de Bose-Einstein Prix Nobel de physique 2001 attribué à E. Cornell, W. Ketterle et C. Wieman "for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates"

20. Depuis 1995, un domaine en expansion … Cs, Yb,... > 1000 sur ces 12 derniers mois ! Nombre de publications contenant "Bose-Einstein" dans leur résumé, déposées sur le serveur de Los Alamos

21. Pourquoi cet intérêt ? • Comportement quantique collectif à échelle • mésoscopique ou macroscopique ! • Réalisation d'une idée d'un des pères fondateurs • de la physique moderne. Etoiles à neutrons : 1039 neutrons/cm3 Hélium liquide : 1022 atomes/cm3 Gaz d’alcalins dilués : 1014 atomes/cm3 Vers des sources d’atomes cohérentes : laser à atomes

22. 5 _ Comment refroidir jusqu'à T=0,00001 K ?

23. Emission de lumière d’un atome excité Les atomes (individuels) : Niveaux d’énergie discrets Spectre d’absorption = signature de l’atome émission ou absorption = changement d’orbite de l’électron. Ex : lampes au sodium (éclairage orangé des lampes de ville)

24. Principe du refroidissement laser w0 wL Effet Doppler wL< w0 wL< w0 v Ref laboratoire wL+kv wL-kv Ref atome Absorption du photonwL+kv, et réémission équiprobable dans deux directions opposées. Bilan : F =-av(force de friction)

25. Piégeage grâce à des champs magnétiques Expériences réalisées dans des cellules sous ultravide.

26. Refroidissement d’atomes Prix Nobel de physique 1997 attribué à W. Phillips, S. Chu et C. Cohen-Tannoudji "for development of methods to cool and trap atoms with laser light"

27. 6 _ Comment passer de T=0,00001 K à T=0,0000001 K ?

28. N N / 20 T T / 100 Refroidissement par évaporation d ~ 100 l d ~ l Durée : 1 à 100 secondes, Nf =105 à 107 atomes, Tf = 0.2 à 2mK

29. Camera CCD Laser atomes Détection et signature d'un condensat 100 mm * 5 mm 3 106atomes dans un piège magnétique anisotrope 0,5 à 1 mK Temps de vol Gaz classique Condensat T > Tc T < Tc isotrope anisotrope

30. Une onde de matière macroscopique T > Tc T < Tc Expérience de type "fentes d’Young" m=1 E Radiofréquence 2 Radiofréquence 1 m=0 z Cohérence quasi-parfaite : « laser à atomes »

31. Groupe ENS Juste en dessous de la fréquence critique Juste au dessus de la fréquence critique Notablement au dessus de la fréquence critique Pour de grands Nombres d'atomes : Réseau d'Abrikosov Les tourbillons quantiques (prédits par Feynman, Onsager) Physique analogue dans l’hélium superfluide ou certains supra-conducteurs Ici, systèmes très « purs » : on peut contrôler la nucléation et la décroissance de ces vortex

32. 7 _ Conclusion atomes froids et physique quantique

38. Manipulation d’atomes dans des cellules très basse pression. Système de lasers pour permettre la manipulation d’atomes.

39. Les membres du groupe atomes ultrafroids Chercheurs permanents : Yvan Castin, Claude Cohen-Tannoudji, Jean Dalibard, David Guéry-Odelin, Michèle Leduc, Christophe Salomon. Post-doctorants et visiteurs : Iacoppo Carusotto, Johannes Vogels, Carlos Lobo, Lincoln Carr, Jumin Wang, Sinha Subhasis, Lev Khaykovich. Doctorants : Vincent Bretin, Philippe Cren, Julien Cubizolles, Thierry Lahaye, Jérémie Léonard, Thomas Bourdel, Sabine Stock.http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/welcome.html € : BNM

40. Température et émission de lumière IndexBlackbody radiation concepts HyperPhysics***** Quantum Physics R Nave Radiation Curves 6000K 3000K Red hot 300K Go Back 3K 3K Background Radiation La matière massive à température finie émet de la lumière Soleil : spectre continu Seule la mécanique quantique permet de comprendre quantitativement cette émission (Planck 1900).

41. Dispositif expérimental Piège magnéto-optique 2D Guide magnétique Refroidissement par évaporation au fil de l’avancée des atomes