EnseignementCours : Une brève histoire des atomes froidsPeut-on contrôler l’équilibre thermodynamique d’un échantillon de matière en utilisant de la lumière aux caractéristiques bien choisies ? Depuis les articles fondateurs d’Einstein et de Kastler, cette question a accompagné le développement de la physique atomique et de l’optique quantique. À partir des années 1970, le développement des sources laser accordables est venu lui donner un nouvel éclairage, avec notamment les propositions de ...
EnseignementCours : Une brève histoire des atomes froidsPeut-on contrôler l’équilibre thermodynamique d’un échantillon de matière en utilisant de la lumière aux caractéristiques bien choisies ? Depuis les articles fondateurs d’Einstein et de Kastler, cette question a accompagné le développement de la physique atomique et de l’optique quantique. À partir des années 1970, le développement des sources laser accordables est venu lui donner un nouvel éclairage, avec notamment les propositions de ...
Mon objectif premier a été de revisiter l’optique quantique (initialement explorée avec des atomes et des cavités naturels) avec des atomes et des cavités artificiels, tels que des boîtes quantiques semi-conductrices, ou des qubits en électrodynamique quantique des circuits. Contrairement aux systèmes de physique atomique, les atomes et les cavités de la matière condensée sont couplés à des environnements natifs, qui conduisent à des divergences fon- damentales par rapport à l’optique quantique traditionnelle. J’ai décliné ce jeu de deux manières : 1. Remplacer un atome par une boîte quantique (Optique quantique des atomes artificiels), 2. Remplacer un photon stationnaire par un photon pro- pageant (Optique quantique des atomes uni-dimensionnels). Eventuellement, il est apparu que les divergences par rapport à la physique atomique, loin d’être un écart à l’idéalité, peuvent être exploitées pour créer des fonctionnalités nouvelles en information quantique intégrée. En particulier, l’idée correspondant à l’axe 1 ouvre la voie à la réalisation de composants pour l’information quantique fonctionnant à température ambiante, et est actuellement explorée dans le cadre d’un projet européen impliquant plusieurs acteurs majeurs de la photonique quantique.Cette motivation d’exploiter les environnements m’a naturellement amenée à un domaine de recherche actuellement en plein essor : la thermodynamique quantique. La thermodynamique a originellement été développée pour extraire de l’énergie utile (du travail), à partir de sources d’énergie désorganisées (de la chaleur extraite de bains thermiques), en contrôlant les transformations thermodynamiques d’un petit système : le fluide calorifique. Mon objectif pour la suite est d’explorer l’optique quantique dans ce nouveau paradigme.
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.
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.
Matière et lumière sont intimement liées dans notre modélisation du monde physique. De l’élaboration de la théorie quantique à l’invention du laser, l’interaction entre atomes et rayonnement a joué un rôle central dans le développement de la science et de la technologie d’aujourd’hui. La maîtrise de cette interaction permet désormais d’atteindre les plus basses températures jamais mesurées. Le refroidissement de gaz d’atomes par la lumière d’un laser conduit à une « matière quantique » aux propriétés radicalement différentes des fluides ordinaires. Ces atomes froids sont à la base d’une nouvelle métrologie du temps et de l’espace, qui trouve des applications dans des domaines aussi divers que la navigation, les télécommunications ou encore la géophysique.
La physique quantique permet de comprendre en profondeur les phénomènes qui régissent le comportement des solides, des semi-conducteurs, des atomes, des particules élémentaires et de la lumière. Cette nouvelle édition contient trois chapitres entièrement re-rédigés, un nouveau chapitre sur la mécanique quantique relativiste (construction de Wigner et équation de Dirac), une sélection de corrigés d’exercices et de nombreuses mises à jour. Elle offre une approche originale permettant de traiter immédiatement et de façon simple des applications importantes comme l’atome à deux niveaux, le laser ou la résonance magnétique nucléaire. Le formalisme est ensuite développé en privilégiant l’utilisation des symétries et permet de traiter les applications usuelles comme le moment angulaire, les approximations semi-classiques, la théorie de la diffusion ou la physique des atomes et des molécules. L'ouvrage accorde aussi une large place à des domaines nouveaux apparus depuis une trentaine d’années et qui occupent aujourd’hui le devant de la scène : non-localité et information quantiques, refroidissement d’atomes par laser, condensats de Bose-Einstein, états du champ électromagnétique, sujets qui ne sont pas traités dans la plupart des manuels. Ce livre s’adresse aux étudiants de L3 et de master de physique et aux élèves des écoles d’ingénieurs. Il est également susceptible d’intéresser un large public de physiciens, chercheurs ou enseignants, qui souhaitent s’initier aux développements récents de la physique quantique.