GATTI un grand incompris et vous deux ignorants compris par d'autres


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Re:Re:Surtout un grand incompris -- Bill

Posted by GATTI , Dec 11,2001,23:51

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Le voyeur (observateur) devrait méditer longuement sur les application pratiques de la BEC dont le prix Nobel 97 parle en fin de ce dossier.

Rappel pour les ignorants de la science quantique et ignorants du paranormal.

Le journaliste IKONIKOF dont je vous ai scanner le titre de son article n'était pas du tout dans le faux. Personne n'a osé le traiter de cinglé, c'est déjà bien ; on avance.

Je fais surtout confiance a JC TANNOUDJI , surtout quand ses vues concorde à merveille avec les poltergeist. Pour leur explication ultérieures. Quand tout cela sera décanté dans les esprits des chercheurs

SI vous n'avez pas la fibre quantique voici le résumé fait par Tannoudji qu'il faudra vous enfoncer dans le crâne:
"A température très, très basse et à densité suffisamment élevée, la longueur d’onde de de Broglie peut être suffisamment grande pour que les paquets d’onde associés à deux atomes différents s’enchevêtrent. On observe alors que tous les atomes se condensent dans le même niveau quantique, le niveau fondamental du puits qui les contient."

"Et on obtient à ce moment-là un nombre macroscopique d’atomes (un million d’atomes), tous avec la même fonction d’onde, tous dans le même état quantique, ce qu’on appelle une onde de matière géante. "


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Extrait du Site WEB : http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/welcome.htm
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Le refroidissement d’atomes par des faisceaux laser (Claude Cohen-Tannoudji)
Conférence n° 217 (Août 2000)


Introduction

Au cours des deux dernières décennies, des progrès spectaculaires ont été réalisés dans la maîtrise que nous pouvons exercer sur le mouvement des atomes. En faisant interagir ces atomes avec des faisceaux lasers de direction, de fréquence et de polarisation convenablement choisies, nous pouvons maintenant contrôler la vitesse de ces atomes, réduire leur mouvement d’agitation désordonnée, en quelque sorte les assagir, ce qui revient encore à dire qu’on diminue leur température. Ces méthodes portent le nom de refroidissement laser. On sait également, depuis peu, contrôler la position des atomes et les confiner dans une petite région de l’espace qu’on appelle un piège. Le sujet de cette conférence est le refroidissement laser. Son but est double : expliquer de façon simple comment fonctionne le refroidissement laser et passer en revue les principales applications de ces études.


I.Notions de base

La lumière est un objet qui a toujours fasciné la curiosité des physiciens et des scientifiques en général. Elle est apparu au cours des siècles successivement comme un jet de corpuscules ou comme une onde. Nous savons maintenant que la lumière est à la fois une onde et un ensemble de corpuscules.
La lumière est d’abord une onde électomagnétique, un champ électrique et un champ magnétique oscillant à une fréquence et se propageant dans le vide à une vitesse considérable, de 300000 kms par seconde. Comme toute onde, la lumière donne naissance à des phénomènes importants que nous appelons des phénomènes d’interférences. Lorsqu’on superpose deux ondes différentes, en certains points, les deux ondes vibrent en phase et l’amplitude est doublée ; en d’autres points, les deux ondes vibrent en opposition de phase et en regardant ce qui se passe sur un écran, on voit une succession de zones brillantes et de zones sombres qu’on appelle des franges d’interférences. Autre chose qui est importante : la couleur de la lumière est liée à sa fréquence. Le spectre de fréquence des ondes électromagnétiques s’étend de quelques hertz aux rayons X et gamma, la lumière visible ne couvrant qu’un tout petit domaine, qu’une toute petite région de ce domaine spectral. Il existe des appareils qu’on appelle des appareils dispersifs qui font subir à un rayon lumineux une déviation qui dépend de la fréquence et donc il est possible au moyen de tels appareils, par exemple des prismes, d’analyser le contenu spectral d’un rayonnement lumineux. Il est apparu au début du siècle que la lumière n’était pas seulement une onde, qu’elle était aussi une assemblée, un jet de corpuscules qu’on appelle maintenant des photons. Et cette image de la lumière a résulté des travaux de Planck et d’Einsten. A une onde lumineuse de fréquence , sont associés des corpuscules qu’on appelle des photons ayant une énergie proportionnelle à  (E = h ) et une quantité de mouvement également proportionnelle à  (p = h  / c),  étant la vitesse de la lumière, c, la fréquence de la lumière et h, la constante de Plank, introduite en physique il y a cent ans. Et l’idée importante apparue ce siècle dernier, c’est que la lumière est à la fois une onde et des corpuscules, c’est ce qu’on appelle la dualité onde-corpuscules. Il est impossible de comprendre tous les phénomènes en terme d’ondes uniquement ou en terme de corpuscules uniquement, il faut à la fois les deux notions.

Les atomes sont les constituants élémentaires de la matière que nous voyons à l’échelle courante. Ce sont des systèmes planétaires, analogues au système solaire, formés de particules très légères qu’on appelle des électrons, de charge négative, qui gravitent autour d’un noyau, de masse beaucoup plus élevée et de charge positive. Pour comprendre le mouvement des électrons autour du noyau, les physiciens ont mis au point la mécanique quantique, qui régit la dynamique du monde à l’échelle microscopique. Il s’agit là d’une révolution conceptuelle aussi importante que la révolution de la relativité. Une des prédictions les plus importantes de la mécanique quantique, c’est la quantification des grandeurs physiques et en particulier, la quantification de l’énergie. Lorsqu’on se place dans le système du centre de masse de l’atome, le système où l’atome est globalement au repos, on trouve, on observe et on interprète que les énergies des électrons ne peuvent prendre que des valeurs discrètes, quantifiées, repérées par ce qu’on appelle des nombres quantiques, avec toute une série de niveaux excités.

Ayant introduit la notion d’onde et de photons associés à la lumière, la notion de niveau d’énergie associé aux atomes, je peux maintenant parler des processus élémentaires d’interaction entre matière et lumière. Et ces processus sont les suivants. D’abord l’émission de lumière. Imaginez que nous avons un atome dans un état supérieur E2 initialement, l’atome peut passer du niveau supérieur E2 à un niveau inférieur E1 en émettant de la lumière de fréquence , en émettant un photon d’énergie h. Et la fréquence de la lumière, l’énergie du photon h est donnée par la relation E2 – E1 = h. Autrement dit, l’énergie perdue par l’atome, lorsqu’il passe de E2 à E1, est emporté par le photon. Donc la relation entre niveau d’énergie de l’atome et fréquence de la lumière émise ne fait que traduire la conservation de l’énergie ; l’énergie perdue par l’atome est évacuée par le photon.
Bien sûr, il existe un processus symétrique qui est le processus d’absorption. L’atome partant initialement d’un niveau inférieur E1, peut passer dans un niveau supérieur E2 en empruntant l’énergie d’un photon h qui l’absorbe. Vous voyez que la quantification de l’énergie atomique entraîne que les fréquences émises ou absorbées par un atome forme un spectre discret. Ce résultat est extrêmement important, il montre en effet que la lumière est une source essentielle d’information sur le monde atomique. En mesurant les fréquences émises ou absorbées par un atome, on peut reconstituer les différences E2 – E1 et obtenir le diagramme d’énergie. C’est ce qu’on appelle la spectroscopie. Et ce qui est important, c’est que les fréquences émises ne sont pas les mêmes d’un atome à l’autre. Donc, le spectre de raies émis par un atome est en quelque sorte une empreinte digitale de cet atome. Autrement dit, en observant la lumière qui nous vient de divers types de milieux, on peut ainsi obtenir des informations sur les constituants de ces milieux. C’est ainsi qu’en astrophysique, on peut savoir quels sont les composants des atmosphères planétaires, stellaires, des molécules dans l’espace interstellaire, des galaxies, on peut mesurer l’expansion de l’univers, on peut étudier des milieux hostiles comme des plasmas, des flammes.

Il y a deux types d’émission. Si un atome est tout seul dans le vide, l’expérience va montrer qu’au bout d’un certain temps, l’atome excité en E2, tombe spontanément dans un état inférieur E1, en émettant un photon d’énergie h = E2 – E1, dans toutes les directions possibles. Le temps au bout duquel un tel processus se produit, c’est ce qu’on appelle la durée de vie de l’état excité. Cette durée est très brève. C’est l’émission spontanée. Einstein a été obligé d’introduire un deuxième type d’émission qu’il a appelée l’émission induite ou stimulée. Sur l’atome excité, on envoie un photon d’énergie h qui induit ce dernier à émettre un deuxième photon, en tous points identique au premier, de même direction et de même fréquence. Pendant longtemps ce phénomène a paru une curiosité théorique indispensable pour retrouver la loi de Plank et dans les années cinquantes, on s’est rendu compte que ça pouvait être extrêmement intéressant. On pouvait utiliser ce processus pour faire de l’amplification de lumière. Dans un ensemble d’atomes à l’équilibre thermodynamique, un niveau inférieur E1 est plus peuplé qu’un niveau supérieur E2. Par contre, on s’est rendu compte qu’en soumettant des milieux à des collisions, à des décharges, on pouvait réaliser des situations différentes, hors équilibre, où le niveau supérieur E2 est plus peuplé que E1, c’est ce qu’on appelle une inversion de populations. Imaginons que sur un milieu inversé de ce type, on envoie un photon. Il va y avoir des processus d’absorption et des processus d’émission stimulée. Globalement, si un faisceau lumineux de fréquence  traverse un milieu où les populations sont inversées, les photons nouveaux, qui apparaissent par émission induite, sont plus nombreux que les photons qui disparaissent par absorption. Le rayonnement va être amplifié. On a réalisé ce qu’on appelle un amplificateur de lumière. C’est extrêmement important parce qu’on peut facilement transformer cet amplificateur en oscillateur. Dans le cas présent, on enferme le milieu amplificateur dans une cellule entre deux miroirs de manière à ce que le rayon lumineux qui le traverse effectue plusieurs aller- retours et de manière à ce qu’il soit amplifié à chaque passage. Et si la cavité est accordée, c’est à dire si les différentes ondes qui se réfléchissent interfèrent de manière constructive, cet amplificateur peut se transformer spontanément en un oscillateur. On observe à la sortie un rayonnement lumineux qui est ce qu’on appelle le rayonnement laser, qui a des propriétés de directivité, d’intensité et de monochromaticité complètement différentes des sources lumineuses conventionnelles.

II. Les mécanismes physiques (à la base du refroidissement laser)

Je vais d’abord parler du phénomène de recul. Quand un atome émet un photon, il recule avec une vitesse donnée par la loi de conservation de l’énergie. Le même phénomène de recul se produit lors de l’absorption. Dans un cycle absorption-émission, un photon peut être réémis dans n’importe quelle direction. En moyenne, la vitesse perdue lors de l’émission change d’une quantité h  / m c. Que ce passe-t-il maintenant si nous mettons un atome dans un faisceau laser résonnant ? Toute une série de photons arrivent sur lui. Les photons absorbés ont toujours la même direction de propagation. Après avoir effectué un cycle absorption-émission, l’atome peut absorber un nouveau photon et effectuer un nouveau cycle. Chaque cycle dure un temps moyen qui est la durée de vie radiative (l’atome peut effectuer environ 100 millions de cycles absorption/seconde). Sa vitesse change très peu à chaque cycle, d’une quantité qui est de l’ordre du cm/seconde. Mais l’accumulation de cet effet sur 100 millions de cycles par seconde conduit à des changements de vitesse par seconde considérables (l’accélération ou décélération est énorme). Cette force considérable permet d’arrêter un jet atomique. Le jet d’atomes et le faisceau laser se propagent en sens inverse. La force exercée par le faisceau laser est en sens opposé de la vitesse des atomes qui sont ralentis. Au fur et à mesure qu’on les ralentit, on modifie la fréquence du faisceau laser pour modifier celle des atomes afin de maintenir la force à sa valeur maximale. Ralentir des atomes, c’est diminuer leur vitesse moyenne mais la dispersion des valeurs autour de la vitesse moyenne n’est pas nulle. C’est la vitesse d’agitation désordonnée qui caractérise la température. Refroidir un système consiste à diminuer cette vitesse d’agitation.

Le refroidissement laser le plus simple est le refroidissement laser Doppler. On soumet un atome à deux ondes lasers, de sens opposés, de même intensité, de même fréquence déaccordée vers le rouge. Si je prends d’abord un atome immobile (v3 = 0), les fréquences apparentes des deux ondes lasers sont les mêmes. Les deux forces de pression de radiation venant de la droite et de la gauche s’équilibrent. Si l’atome se déplace vers la droite, la fréquence apparente de l’onde laser se propageant en sens opposé apparaît plus élevée et se rapproche donc de résonance, la force augmente. A cause de l’effet Doppler les deux pressions de radiation ne sont plus équilibrées, la force globale est non nulle, opposée à v3 ; la vitesse de l’atome s’amortit et tend vers zéro. C’est pour cette raison que les physiciens appellent un tel dispositif, une mélasse optique. Les températures obtenues avec de tels mécanismes sont de l’ordre de quelques centaines de micro-kelvin. Quand on a pu les observer, on s’est aperçu que les températures étaient beaucoup plus basses que prévu, ceci à cause de l’effet "sisyphe". Les deux sous-niveaux correspondant au spin vers le haut et le spin vers le bas sont modulés spacialement. Les corrélations entre ces deux modulations font que l’atome en mouvement monte plus de collines de potentiel qu’il n’en descend et il s’épuise à les gravir sans cesse. Il existe aussi une technique encore plus sophistiquée qui s’appelle le refroidissement sub-recul. On a donc mis au point des méthodes qui permettent de descendre aujourd’hui jusqu’au nano-kelvin. A ces températures, les vitesses des atomes sont de l’ordre du centimètre et même du millimètre par seconde alors qu’à température ordinaire, elles sont de l’ordre du kilomètre par seconde. On a pratiquement immobilisé les atomes. On sait aussi également, par des gradients d’intensité lumineuse ou des gradients de champ magnétique, confiner les atomes au fond de puits de potentiel et les garder ainsi isolées pendant plusieurs secondes : c’est ce qu’on appelle le piégeage.


III. Les applications et les nouvelles perspectives.

Celles-ci sont essentiellement liées au fait que les atomes sont animés de très faibles vitesses. Le temps pendant lequel on peut les observer est donc plus long et les mesures des physiciens sont d’autant plus précises.
Parlons d’abord de l’horloge atomique. Une horloge est un oscillateur, un quartz qui oscille à une certaine fréquence. Si on le laisse tout seul, au bout d’un certain temps, cette fréquence va varier aléatoirement, l’horloge va dériver, soit plus vite, soit plus lentement. Pour la stabiliser, il faut maintenir la fréquence du quartz constante. On prend une raie atomique entre deux niveaux d’un atome et on maintient la fréquence du quartz au centre de cette raie. Plus la raie est étroite, plus l’asservissement va être fidèle et plus l’horloge va être précise. Avec les fontaines atomiques, à atomes froids, on a pu réaliser des horloges cent fois plus précises que les meilleures horloges. La nouvelle fontaine de un mètre de haut est l’horloge la plus stable et la plus précise du monde. Les applications de ces horloges sont le système G.P.S, les télécommunications à haut débit, les tests de physique fondamentale. Et pourquoi ne pas faire des fontaines encore plus grandes ? la solution évidente étant de se débarrasser de la gravité. C’est la raison pour laquelle, notre équipe s’est engagée dans des expériences de micro-gravité depuis 1993. On effectue des tests avec un airbus dans lequel on supprime la gravité (en effectuant des paraboles). Et un accord a été obtenu pour placer une horloge à atomes froids dans un capteur d’une station orbitale qui doit évoluer en 2004.
Un autre application : les ondes de de Broglie. On peut observer des franges d’interférences avec des atomes froids. Une expérience a été réalisée par des japonais qui ont mis en évidence la dualité onde-corpuscule pour les atomes. L’onde associée au corpuscule permet de calculer la probabilité pour que le corpuscule se manifeste.
Depuis quelques années, on a également fait des progrès spectaculaires dans une troisième direction qui est ce qu’on appelle la Condenstion de Bose-Einstein. A température très, très basse et à densité suffisamment élevée, la longueur d’onde de de Broglie peut être suffisamment grande pour que les paquets d’onde associés à deux atomes différents s’enchevêtrent. On observe alors que tous les atomes se condensent dans le même niveau quantique, le niveau fondamental du puits qui les contient.


Et on obtient à ce moment-là un nombre macroscopique d’atomes (un million d’atomes), tous avec la même fonction d’onde, tous dans le même état quantique, ce qu’on appelle une onde de matière géante.

Ceci donne naissance à toute une série de phénomènes nouveaux. En particulier, on espère pouvoir extraire d’un condensat de Bose-Einstein, un faisceau cohérent d’atomes.


On a l’espoir de faire pour les ondes de de Broglie ce qu’on a fait il y a quarante ans pour les ondes électromagnétiques en réalisant un rayon d’ondes de de Broglie, un laser à atomes. On peut alors s’attendre à un développement spectaculaire de nouveaux champs de recherche comme l’interférométrie atomique.


Conclusion

L’étude des propriétés de la lumière et de ses interactions avec la matière a eu plusieurs retombées :
- une nouvelle compéhension du monde microscopique
- la mise au point de nouvelles sources de lumière : les lasers

La lumière n’est pas seulement une source d’informations sur le monde qui nous entoure mais aussi un moyen d’action sur les atomes :
- pompage optique
- manipulation d’atomes par laser

Notre maîtrise accrue de la lumière et de la matière ouvre de nouvelles perspectives à la recherche :
- Ondes de matière. Lasers à atomes
- Systèmes quantiques macroscopiques.


Site WEB : http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/welcome.htm