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Les atomes froids

Pierre Cladé, Michèle Leduc

Published Jan 1, 2013• 0 citations
Publisher

Abstract

REE N°4/2012 ◗ 55 LES GRANDS DOSSIERsIntroduction Depuis le milieu des annees 1980, la physique atomique con- nait des developpements spec- taculaires. Grâce a une meilleure connaissance et une maitrise crois- sante des interactions entre les photons et les atomes, il est pos- sible de refroidir de petits nuages d’atomes a des temperatures de quelques milliardiemes de degres seulement au-dessus du zero ab- solu (– 273,15 °C) et de les pieger dans le vide. Ces methodes ont fait l’objet du prix Nobel de physique de 1997 qui a recompense Claude Cohen- Tannoudji, Steven Chu et Williams Phillips. De ces travaux sur le refroidissement laser ont de- coule d’autres decouvertes tout aussi spectaculaires, en particulier la mise en evidence experimentale en 1995 de la condensation de Bose Einstein. Ce nouvel etat de la matiere aux proprietes exceptionnelles avait ete prevu depuis les annees 1920 par les lois de la physique sta- tistique. En 2001, Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle et Carl E. Wieman ont obtenu le prix Nobel pour cette de- couverte. En trente ans, ce domaine de la physique s’est consi- derablement developpe. En France, les recherche

DOI
10.23723/1301:2012-4/4225

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Les atomes froids

Erwan Jahier

Doublement couronné par le prix Nobel en 1997 et en 2001, le domaine des atomes froids est né il y a une trentaine d'années et connaît aujourd'hui un fantastique développement où la physique du solide rejoint la physique atomique. Les atomes froids sont l'objet d'études très fondamentales pour la mécanique quantique et pour l'information quantique. Leurs applications commencent à intervenir dans notre quotidien, par exemple via les horloges à fontaines d'atomes froids utilisées pour le GPS, et dont l'exactitude est meilleure qu'une seconde sur 300 millions d'années. Cet ouvrage expose en termes simples comment l'interaction de faisceaux lasers avec un gaz permet de refroidir ce gaz jusqu'à des températures descendant à quelques millionièmes de degrés au-dessus du zéro absolu et de piéger un petit nuage de quelques milliards d'atomes lévitant dans le vide. Il retrace aussi la découverte de la condensation de Bose-Einstein, ce nouvel état de la matière dans lequel tous les atomes se comportent comme s'ils étaient un seul et dont on peut extraire des « lasers à atomes ». L'ouvrage est illustré de nombreux schémas et présente d'une façon didactique l'essentiel des méthodes utilisées pour produire et utiliser les atomes froids.

EDP Sciences eBooks•Nov 4, 2020•0 citations

Avant-propos

Robin Kaiser, Michèle Leduc, Hélène Perrin

Il y a quarante ans, vingt ans après la découverte du laser, les physiciens élaboraient des méthodes de refroidissement par laser pour des ions piégés dans des champs électromagnétiques.Dès les années 1980, ces techniques étaient raffinées et étendues à des atomes, grâce à l'audace et l'inventivité d'une génération de chercheurs pionniers.Il fallait en effet réussir simultanément à piéger et à refroidir les échantillons de gaz atomiques dans le vide à distance de toute paroi.Les résultats spectaculaires se sont enchaînés et des températures extraordinairement basses ont été rapidement atteintes, très proches du zéro absolu.Le domaine dit des atomes froids était né, récompensé par des prix Nobel successifs dont le premier fut celui attribué en 1997 à William D. Phillips, Steven Chu et Claude Cohen-Tannoudji.Des échantillons gazeux de quelques milliers à quelques milliards d'atomes peuvent ainsi être préparés à quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu, ce qui signifie que les particules se déplacent à des vitesses extrêmement faibles, de l'ordre du centimètre par seconde.À ces températures extrêmes, la matière change de comportement et ses propriétés ne peuvent être décrites qu'en faisant appel à la mécanique

EDP Sciences eBooks•Nov 5, 2020•0 citations

Les atomes froids

Erwan Jahier

Doublement couronné par le prix Nobel en 1997 et en 2001, le domaine des atomes froids est né il y a une trentaine d'années et connaît aujourd'hui un fantastique développement où la physique du solide rejoint la physique atomique. Les atomes froids sont l'objet d'études très fondamentales pour la mécanique quantique et pour l'information quantique. Leurs applications commencent à intervenir dans notre quotidien, par exemple via les horloges à fontaines d'atomes froids utilisées pour le GPS, et dont l'exactitude est meilleure qu'une seconde sur 300 millions d'années. Cet ouvrage expose en termes simples comment l'interaction de faisceaux lasers avec un gaz permet de refroidir ce gaz jusqu'à des températures descendant à quelques millionièmes de degrés au-dessus du zéro absolu et de piéger un petit nuage de quelques milliards d'atomes lévitant dans le vide. Il retrace aussi la découverte de la condensation de Bose-Einstein, ce nouvel état de la matière dans lequel tous les atomes se comportent comme s'ils étaient un seul et dont on peut extraire des « lasers à atomes ». L'ouvrage est illustré de nombreux schémas et présente d'une façon didactique l'essentiel des méthodes utilisées pour produire et utiliser les atomes froids.

EDP Sciences eBooks•Nov 4, 2020•0 citations

L’Institut Francilien de Recherche sur les Atomes Froids (IFRAF), un réseau de recherche de pointe soutenu par la Région Île-de-France

Michèle Leduc

Un domaine scientifique d'une exceptionnelle vitalitéC'est en 2004 qu'est née l'idée de rassembler toutes les équipes travaillant sur les atomes froids dans la région parisienne, ce domaine avait déjà une vingtaine d'années d'existence et se développait à vive allure dans le monde entier.Le Laboratoire Kastler Brossel (le LKB) à l'École normale supérieure (ENS) y a joué un rôle de pionnier pour la France.Autour de Claude Cohen-Tannoudji, professeur au Collège de France, s'est constituée une équipe regroupant Jean Dalibard, Christophe Salomon, Alain Aspect, qui tous ensemble se sont lancés dans le domaine durant les années 80. Le renouveau spectaculaire de la physique atomique apporté par les atomes froids attira de plus en plus de jeunes brillants chercheurs à l'ENS, où se constitua bientôt une école de recherche réputée, très en prise avec les groupes du monde entier investis dans le même domaine.Le concept du piège magnétooptique y fut élaboré, bientôt adopté comme l'outil universel pour les gaz refroidis et piégés par la lumière laser ; les températures anormalement basses qui y étaient mesurées trouvèrent une explication.Le domaine connut une véritable explosion après 1995 quand la condensation de Bose-Einstein fut enfin réalisée expérimentalement aux États-Unis, puis ensuite en France.Et le prix Nobel octroyé à Claude Cohen-Tannoudji en 1997, en même temps qu'à ses amis Bill Phillips et Steven Chu, augmenta encore le prestige du domaine.Pourtant la recherche sur les atomes froids ne resta pas cantonnée à l'ENS.Alain Aspect quitta le LKB en 1993 pour se lancer dans l'aventure à Orsay, rejoint par son élève Philippe Grangier avec lequel il créa un nouveau laboratoire à l'Institut d'Optique.De nombreux jeunes chercheurs formés à l'école de Claude Cohen-Tannoudji commencèrent à essaimer vers d'autres établissements, pour beaucoup dans la région parisienne.Ainsi, Pierre Pillet rejoignit le Laboratoire Aimé Cotton à Orsay, Hélène Perrin s'installa au Laboratoire de Physique des Lasers à Paris-Nord, et d'anciens doctorants du LKB comme Pierre Lemonde ou Franck Pereira-dos-Santos allaient à l'Observatoire de Paris développer des instruments de métrologie à atomes froids.Tous ces jeunes chercheurs issus de l'ENS développèrent à leur tour des équipes vers lesquelles affluèrent de très nombreux doctorants et des postdoctorants issus de nombreux pays, tout particulièrement d'Allemagne.La communauté francilienne était suffisamment petite pour que tous les chercheurs permanents se connaissent et suffisamment concentrée en île-de-France pour que la communication s'installe facilement entre les équipes.

Photoniques•Jan 1, 2011•0 citations

Atomes, ions, molécules ultrafroids et technologies quantiques

Robin Kaiser, Michèle Leduc, Hélène Perrin

Les physiciens savent produire des gaz à quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu. Les méthodes de refroidissement s’appliquent non seulement aux atomes mais aussi aux ions et aux molécules. Ce domaine de recherche a été couronné deux fois par le prix Nobel. Il s’est extraordinairement enrichi depuis que l’on sait faire varier à volonté les interactions entre les particules et piéger celles-ci avec des pinces optiques ou dans des réseaux optiques à la géométrie ajustable. On édifie ainsi des cristaux artificiels formés d’atomes ou de molécules qui peuvent simuler la structure de la matière et élucider certaines de ses propriétés magnétiques, avec la perspective d’expliquer un jour la supraconductivité à haute température. Le phénomène d’intrication quantique est à la base de nouveaux dispositifs pour le stockage et la transmission de l’information quantique. Des progrès spectaculaires sont constamment enregistrés en métrologie. Ainsi des horloges à atomes ou à ions ultrafroids mesurent le temps à mieux qu’une seconde sur la durée de l’Univers. Des gravimètres et gyromètres industriels d’un type nouveau améliorent la sensibilité de la sismologie et la navigation dans l’espace. En outre, l’extrême précision des mesures permet de tester les lois fondamentales de la physique, par exemple l’électrodynamique quantique, l’invariance de Lorentz ou les éventuelles variations des constantes fondamentales. Le domaine des particules ultrafroides rejoint aujourd’hui ceux de la matière condensée, de la chimie et même de la cosmologie. Robin Kaiser est directeur de recherche CNRS à l’Institut de physique de Nice à l’université de la Côte d’Azur. Michèle Leduc est directrice de recherche CNRS émérite au Laboratoire Kastler-Brossel à l’École normale supérieure à Paris. Hélène Perrin est directrice de recherche au Laboratoire de physique des lasers à l’université Sorbonne Paris Nord.

EDP Sciences eBooks•Nov 5, 2020•0 citations

Interférométrie Atomique : des Sources d'Atomes Refroidies aux Lasers à Atomes

Philippe Bouyer

Ce document décrit l'ensemble des travaux scientifiques effectués entre 1995 et 2004 aux États-Unis puis en France. L'ensemble de ces travaux s'articule autour du thème central de l'optique et de l'interférométrie atomique, un domaine de la physique atomique qui a connu deux tournants spectaculaires qui ont été majeurs pour cette thématique : l'aboutissement des techniques sophistiquées de refroidissement des atomes par laser permettant une "collimation" des faisceaux atomiques et la réalisation en 1995 du premier condensat de Bose-Einstein d'alcalins, précurseur du laser à atomes, source cohérente à haute luminance. Tous ces travaux ont nécessité l'élaboration de nombreux dispositifs expérimentaux. Ils ont d'une part abouti à la réalisation de trois senseurs inertiels atomiques de haute performance : un gyromètre à jet atomique collimaté, un gradiomètre à atomes froids, une base inertielle à atomes refroidis par laser. D'autre part, ils ont permis de développer deux sources atomiques cohérentes d'un modèle nouveau sur lesquelles un grand nombre de résultats sur la nature profonde des condensats de Bose-Einstein ont pu être obtenus. Ce manuscrit est organisé en 5 chapitres permettant d'aborder progressivement la problématique des senseurs inertiels atomiques (essentiellement à source refroidie non cohérente), les propriétés fondamentales de la condensation de Bose-Einstein, la production de laser à atomes, les propriétés de cohérence des sources atomiques dégénérées et enfin les perspectives qu'ouvrent les lasers à atomes pour l'interférométrie atomique.

•Sep 23, 2005•0 citations
REE N°4/2012 ◗ 55 LES GRANDS DOSSIERsIntroduction Depuis le milieu des annees 1980, la physique atomique con- nait des developpements spec- taculaires. Grâce a une meilleure connaissance et une maitrise crois- sante des interactions entre les photons et les atomes, il est pos- sible de refroidir de petits nuages d’atomes a des temperatures de quelques milliardiemes de degres seulement au-dessus du zero ab- solu (– 273,15 °C) et de les pieger dans le vide. Ces methodes ont fait l’objet du prix Nobel de physique de 1997 qui a recompense Claude Cohen- Tannoudji, Steven Chu et Williams Phillips. De ces travaux sur le refroidissement laser ont de- coule d’autres decouvertes tout aussi spectaculaires, en particulier la mise en evidence experimentale en 1995 de la condensation de Bose Einstein. Ce nouvel etat de la matiere aux proprietes exceptionnelles avait ete prevu depuis les annees 1920 par les lois de la physique sta- tistique. En 2001, Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle et Carl E. Wieman ont obtenu le prix Nobel pour cette de- couverte. En trente ans, ce domaine de la physique s’est consi- derablement developpe. En France, les recherche
Doublement couronné par le prix Nobel en 1997 et en 2001, le domaine des atomes froids est né il y a une trentaine d'années et connaît aujourd'hui un fantastique développement où la physique du solide rejoint la physique atomique. Les atomes froids sont l'objet d'études très fondamentales pour la mécanique quantique et pour l'information quantique. Leurs applications commencent à intervenir dans notre quotidien, par exemple via les horloges à fontaines d'atomes froids utilisées pour le GPS, et dont l'exactitude est meilleure qu'une seconde sur 300 millions d'années. Cet ouvrage expose en termes simples comment l'interaction de faisceaux lasers avec un gaz permet de refroidir ce gaz jusqu'à des températures descendant à quelques millionièmes de degrés au-dessus du zéro absolu et de piéger un petit nuage de quelques milliards d'atomes lévitant dans le vide. Il retrace aussi la découverte de la condensation de Bose-Einstein, ce nouvel état de la matière dans lequel tous les atomes se comportent comme s'ils étaient un seul et dont on peut extraire des « lasers à atomes ». L'ouvrage est illustré de nombreux schémas et présente d'une façon didactique l'essentiel des méthodes utilisées pour produire et utiliser les atomes froids.
Il y a quarante ans, vingt ans après la découverte du laser, les physiciens élaboraient des méthodes de refroidissement par laser pour des ions piégés dans des champs électromagnétiques.Dès les années 1980, ces techniques étaient raffinées et étendues à des atomes, grâce à l'audace et l'inventivité d'une génération de chercheurs pionniers.Il fallait en effet réussir simultanément à piéger et à refroidir les échantillons de gaz atomiques dans le vide à distance de toute paroi.Les résultats spectaculaires se sont enchaînés et des températures extraordinairement basses ont été rapidement atteintes, très proches du zéro absolu.Le domaine dit des atomes froids était né, récompensé par des prix Nobel successifs dont le premier fut celui attribué en 1997 à William D. Phillips, Steven Chu et Claude Cohen-Tannoudji.Des échantillons gazeux de quelques milliers à quelques milliards d'atomes peuvent ainsi être préparés à quelques millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu, ce qui signifie que les particules se déplacent à des vitesses extrêmement faibles, de l'ordre du centimètre par seconde.À ces températures extrêmes, la matière change de comportement et ses propriétés ne peuvent être décrites qu'en faisant appel à la mécanique
Doublement couronné par le prix Nobel en 1997 et en 2001, le domaine des atomes froids est né il y a une trentaine d'années et connaît aujourd'hui un fantastique développement où la physique du solide rejoint la physique atomique. Les atomes froids sont l'objet d'études très fondamentales pour la mécanique quantique et pour l'information quantique. Leurs applications commencent à intervenir dans notre quotidien, par exemple via les horloges à fontaines d'atomes froids utilisées pour le GPS, et dont l'exactitude est meilleure qu'une seconde sur 300 millions d'années. Cet ouvrage expose en termes simples comment l'interaction de faisceaux lasers avec un gaz permet de refroidir ce gaz jusqu'à des températures descendant à quelques millionièmes de degrés au-dessus du zéro absolu et de piéger un petit nuage de quelques milliards d'atomes lévitant dans le vide. Il retrace aussi la découverte de la condensation de Bose-Einstein, ce nouvel état de la matière dans lequel tous les atomes se comportent comme s'ils étaient un seul et dont on peut extraire des « lasers à atomes ». L'ouvrage est illustré de nombreux schémas et présente d'une façon didactique l'essentiel des méthodes utilisées pour produire et utiliser les atomes froids.
Un domaine scientifique d'une exceptionnelle vitalitéC'est en 2004 qu'est née l'idée de rassembler toutes les équipes travaillant sur les atomes froids dans la région parisienne, ce domaine avait déjà une vingtaine d'années d'existence et se développait à vive allure dans le monde entier.Le Laboratoire Kastler Brossel (le LKB) à l'École normale supérieure (ENS) y a joué un rôle de pionnier pour la France.Autour de Claude Cohen-Tannoudji, professeur au Collège de France, s'est constituée une équipe regroupant Jean Dalibard, Christophe Salomon, Alain Aspect, qui tous ensemble se sont lancés dans le domaine durant les années 80. Le renouveau spectaculaire de la physique atomique apporté par les atomes froids attira de plus en plus de jeunes brillants chercheurs à l'ENS, où se constitua bientôt une école de recherche réputée, très en prise avec les groupes du monde entier investis dans le même domaine.Le concept du piège magnétooptique y fut élaboré, bientôt adopté comme l'outil universel pour les gaz refroidis et piégés par la lumière laser ; les températures anormalement basses qui y étaient mesurées trouvèrent une explication.Le domaine connut une véritable explosion après 1995 quand la condensation de Bose-Einstein fut enfin réalisée expérimentalement aux États-Unis, puis ensuite en France.Et le prix Nobel octroyé à Claude Cohen-Tannoudji en 1997, en même temps qu'à ses amis Bill Phillips et Steven Chu, augmenta encore le prestige du domaine.Pourtant la recherche sur les atomes froids ne resta pas cantonnée à l'ENS.Alain Aspect quitta le LKB en 1993 pour se lancer dans l'aventure à Orsay, rejoint par son élève Philippe Grangier avec lequel il créa un nouveau laboratoire à l'Institut d'Optique.De nombreux jeunes chercheurs formés à l'école de Claude Cohen-Tannoudji commencèrent à essaimer vers d'autres établissements, pour beaucoup dans la région parisienne.Ainsi, Pierre Pillet rejoignit le Laboratoire Aimé Cotton à Orsay, Hélène Perrin s'installa au Laboratoire de Physique des Lasers à Paris-Nord, et d'anciens doctorants du LKB comme Pierre Lemonde ou Franck Pereira-dos-Santos allaient à l'Observatoire de Paris développer des instruments de métrologie à atomes froids.Tous ces jeunes chercheurs issus de l'ENS développèrent à leur tour des équipes vers lesquelles affluèrent de très nombreux doctorants et des postdoctorants issus de nombreux pays, tout particulièrement d'Allemagne.La communauté francilienne était suffisamment petite pour que tous les chercheurs permanents se connaissent et suffisamment concentrée en île-de-France pour que la communication s'installe facilement entre les équipes.
Les physiciens savent produire des gaz à quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu. Les méthodes de refroidissement s’appliquent non seulement aux atomes mais aussi aux ions et aux molécules. Ce domaine de recherche a été couronné deux fois par le prix Nobel. Il s’est extraordinairement enrichi depuis que l’on sait faire varier à volonté les interactions entre les particules et piéger celles-ci avec des pinces optiques ou dans des réseaux optiques à la géométrie ajustable. On édifie ainsi des cristaux artificiels formés d’atomes ou de molécules qui peuvent simuler la structure de la matière et élucider certaines de ses propriétés magnétiques, avec la perspective d’expliquer un jour la supraconductivité à haute température. Le phénomène d’intrication quantique est à la base de nouveaux dispositifs pour le stockage et la transmission de l’information quantique. Des progrès spectaculaires sont constamment enregistrés en métrologie. Ainsi des horloges à atomes ou à ions ultrafroids mesurent le temps à mieux qu’une seconde sur la durée de l’Univers. Des gravimètres et gyromètres industriels d’un type nouveau améliorent la sensibilité de la sismologie et la navigation dans l’espace. En outre, l’extrême précision des mesures permet de tester les lois fondamentales de la physique, par exemple l’électrodynamique quantique, l’invariance de Lorentz ou les éventuelles variations des constantes fondamentales. Le domaine des particules ultrafroides rejoint aujourd’hui ceux de la matière condensée, de la chimie et même de la cosmologie. Robin Kaiser est directeur de recherche CNRS à l’Institut de physique de Nice à l’université de la Côte d’Azur. Michèle Leduc est directrice de recherche CNRS émérite au Laboratoire Kastler-Brossel à l’École normale supérieure à Paris. Hélène Perrin est directrice de recherche au Laboratoire de physique des lasers à l’université Sorbonne Paris Nord.
Ce document décrit l'ensemble des travaux scientifiques effectués entre 1995 et 2004 aux États-Unis puis en France. L'ensemble de ces travaux s'articule autour du thème central de l'optique et de l'interférométrie atomique, un domaine de la physique atomique qui a connu deux tournants spectaculaires qui ont été majeurs pour cette thématique : l'aboutissement des techniques sophistiquées de refroidissement des atomes par laser permettant une "collimation" des faisceaux atomiques et la réalisation en 1995 du premier condensat de Bose-Einstein d'alcalins, précurseur du laser à atomes, source cohérente à haute luminance. Tous ces travaux ont nécessité l'élaboration de nombreux dispositifs expérimentaux. Ils ont d'une part abouti à la réalisation de trois senseurs inertiels atomiques de haute performance : un gyromètre à jet atomique collimaté, un gradiomètre à atomes froids, une base inertielle à atomes refroidis par laser. D'autre part, ils ont permis de développer deux sources atomiques cohérentes d'un modèle nouveau sur lesquelles un grand nombre de résultats sur la nature profonde des condensats de Bose-Einstein ont pu être obtenus. Ce manuscrit est organisé en 5 chapitres permettant d'aborder progressivement la problématique des senseurs inertiels atomiques (essentiellement à source refroidie non cohérente), les propriétés fondamentales de la condensation de Bose-Einstein, la production de laser à atomes, les propriétés de cohérence des sources atomiques dégénérées et enfin les perspectives qu'ouvrent les lasers à atomes pour l'interférométrie atomique.