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

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

2. Diviser par 10 000 Diviser par 10 000

3. Le graphite au microscope…

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

5. 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

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

7. 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 ElectroMechanicalSystem) ULTRA-SENSIBLE Sensibilité : zepto-gramme ( 1g divisé par 100 000 000 trois fois)

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

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

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

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

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

14. Dispersion de la lumière émise Catastrophe ultra-violette

15. Loi de Max Planck - 1900 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 !

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

17. L ’effet photoélectrique : Einstein -1905 Une hypothèse : la lumière à la fréquence fest 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.

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

19. 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

20. 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 fest donnée par E/h …Comme pour les photons d’Einstein Prix Nobel 1929 La matière, typiquement corpusculaire, devient aussi ondulatoire.

21. ici ou ici aussi ou ici 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

22. 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

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

24. 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

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

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

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

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

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

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

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

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

33. 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

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

35. 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

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

37. 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

38. 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

39. 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

40. 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

41. 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)