Refroidissement et piégeage d'atomes par des faisceaux laser

Ca en jette comme titre d'article, hein? Joies et plaisirs de la télévision par cable à 1h du matin.

En zappant après m'être délecté (pour la xième fois...) du retour de Don Camillo, je suis tombé par hasard sur la fin d'un documentaire sur la chaine Histoire à propos de Claude Cohen-Tannoudji intitulé "La physique quantique et le prix Nobel", juste au moment où celui-ci parlait des procédés pour refroidir et piéger les atomes au moyen de faisceaux laser.

Il était là avec son tableau noir rempli d'équations à palabrer et dessiner au grès de l'évolution du sujet. Assez charismatique il faut le reconnaitre.

Et moi dès que je vois des équations avec pleins de chiffres et de lettres, cela m'émoustille. Et j'essaye d'en comprendre le contenu. Bon avec le temps, j'ai oublié plein de choses et je serais bien incapable de calculer la dérivée d'une équation différentielle à 2 inconnues ou de calculer l'orbite d'un satellite autour du Soleil, voire l'énergie nécessaire pour l'envoyer se ballader la-haut. (si... si... je vous assure que j'ai su le faire... il y a très longtemps)

Cela m'a rappelé mes très lointains cours de physique de terminale, quand j'apprenais tout ce tralala sur la mécanique quantique et particulaire.

Et me voilà donc à regarder, et surtout à écouter ce qu'il disait. D'une simplicité enfantine. D'une limpidité cristalline. Et si intelligible quand on y repense que cela parait irréel. Certes il faut avoir quand même un certain bagage pour suivre, mais presque.

Ainsi donc, saviez-vous qu'il faut seulement 50 cm pour arrêter un atome lancé à 1 km/s ? Et bien, cette nuit, j'ai appris cela.

Sous certaines conditions, si l'on projete un flux d'atomes en opposition à un faisceau laser résonant, on constatera que celui-ci s'arrête à 50 cm de sa source d'émission, pour ensuite revenir en arrière.

Si ça vous amuse de vérifier mes dires par des calculs, reportez-vous au paragraphe "d" de son cours de 1983/84 au Collège de France.

Parce que quand je relis tout ça, je suis bien content de ne plus y avoir affaire! :D

(pour les pervers et les étudiants que cela intéresse, il y a la totale de ses cours au même endroit)

Allez, un petit extrait d'un article du CNRS sur le personnage, je vous laisse lire tranquillement la suite sur les implications que cela génère.
Claude Cohen-Tannoudji a prédit théoriquement et observé un certain nombre d'effets physiques nouveaux comme les déplacements des niveaux d'énergie d'un atome éclairé par une onde lumineuse non résonante, et comme les modifications des propriétés physiques d'un atome entouré d'un nuage de photons qu'il absorbe et réémet en permanence. Il a introduit avec ses élèves une nouvelle approche théorique qui permet de rendre compte de manière précise des effets des interactions des atomes avec un rayonnement électromagnétique de haute intensité. Cette image d'un atome, "habillé" par les photons (la lumière) qui l'éclairent, s'est révélée d'une grande fécondité et d'une grande efficacité pour analyser les propriétés de la lumière absorbée ou émise par cet atome et pour comprendre les forces qui s'exercent sur lui. L'approche de l'atome habillé est couramment utilisée aujourd'hui dans le monde entier par tous les chercheurs de ce domaine.

Les interactions atomes-rayonnement peuvent être considérées de deux points de vue.

* Tout d'abord, elles permettent d'obtenir des informations sur la structure des atomes. C'est le principe de la spectroscopie qui consiste à analyser les propriétés de la lumière émise ou absorbée par un atome pour en déduire ses niveaux d'énergie.

* Un deuxième point de vue, plus récent, consiste à utiliser ces interactions pour agir sur les atomes, pour contrôler non seulement leurs états internes mais aussi leurs mouvements dans l'espace et pour les manipuler. Claude Cohen-Tannoudji a orienté ses recherches dans cette deuxième direction. Les travaux récents de son équipe portent sur les forces exercées par des faisceaux laser sur des atomes et sur la possibilité d'utiliser ces forces pour manipuler ces atomes, en particulier pour les ralentir, les refroidir et les "piéger", c'est-à-dire les confiner dans une petite région de l'espace, les maintenir dans des cavités en les ralentissant. Avec son équipe, il a mis en évidence de nouveaux mécanismes de refroidissement particulièrement efficaces comme le "refroidissement Sisyphe", consistant à forcer un atome à gravir sans cesse des "collines" de potentiel, ou le refroidissement par "états noirs" qui permet d'abaisser la vitesse d'un atome au-dessous d'une certaine limite, considérée auparavant comme infranchissable. Par une meilleure compréhension des mécanismes phyiques mis en jeu, ces travaux permettent de mieux maîtriser le mouvement des atomes dans une onde laser et d'abaisser leur température à des valeurs de l'ordre du microkelvin, voire du nanokelvin, soit près de cent milliards de fois plus basses que la température ambiante.

Edit: Et si vous avez du temps à perdre, il faut absolument regarder cette conférence de Claude Cohen-Tannoudji sur le refroidissement d'atomes par rayonnement laser donnée à l'université de tous les savoirs. (la démonstration dans la séquence 3)

5 commentaires

#1  - aalleexxx a dit :

La dérivée d'une équation différentielle ça n'existe pas puisque qu'elle contient déja des dérivées! Désolé mais fallait que je marque ça! ;-)

#2  - Kowalsky a dit :

Merci de la précision aalleexxx, sans doute pour cela que je me suis planté à l'oral de rattrapage du bac. :)

#3  - JPierre a dit :

tout cela me donne mal a la tete
je me rapelle pas avoir fait ca moi en troisieme !!!

#4  - Kowalsky a dit :

Normal, c'est pas vraiment un cours de 3ème ça. :)

#5  - hi3 a dit :

(note perso : penser à m'acheter un cerveau pragmatique et une patience)

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