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la matière proche du zéro absolu

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.

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Presentation Transcript

  1. 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

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

  3. 1ère partieatomes et température

  4. 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)

  5. Voir les atomes microscope électronique microscopies de champ proche

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

  7. Température 3 2 °C K <ec>= ½m<v2>= ½ kBT 373,15 100 William Thomson Lord Kelvin (1824-1907) Tamb. 25 ≈ 300 0 273,15 Anders Celsius (1701-1744)

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

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

  10. 2ème partieondes et particules

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

  12. diffraction onde particules obstacle « éparpillement »

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

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

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

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

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

  18. Dualité onde-corpuscule

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

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

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

  22. 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?

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

  24. 3ème partierefroidissement laser

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

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

  27. Pression de radiation 87Rb 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

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

  29. Les lasers

  30. La manip Ralentisseur Gamelle Four

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

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

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

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

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

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

  37. Condensation de Bose-Einstein (3) Groupe d’Hélène Perrin Université Paris Nord Villetaneuse Groupe de TilmanEsslinger ETH Zurich

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

  39. Quelques résultats T>Tc T<Tc

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

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

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

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

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

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

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

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

  48. Mélasses optiques (1985) Ftot=0 v Effet Doppler v à 3D Steven Chu (1948-) Cliché original

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

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