BOSE-EINSTEIN CONDENSATION DE

Le refroidissement des atomes par laser

Les lasers permettent de geler sur place les atomes d'un gaz et de les amener à des températures très basses, à quelques millionièmes de kelvin au-dessus du zéro absolu, tout en maintenant une certaine distance entre eux, ce qui leur évite d'interagir.

À la température ambiante, les atomes parcourent dans tous les sens la cellule qui les contient avec des vitesses de plusieurs centaines de mètres par seconde, à cause de l'agitation thermique. Pour les refroidir, il faut réduire cette agitation thermique, en d'autres termes, les ralentir. Le refroidissement par laser repose sur un effet connu sous le nom de pression de radiation. Les photons, particules de lumière transportées par un faisceau, peuvent pousser un objet léger placé sur leur trajet. Cette force agit aussi sur les atomes individuels : un atome qui absorbe un photon recule sous le choc. Mais, pour que les atomes les absorbent, les photons doivent avoir une certaine fréquence, c'est-à-dire une couleur bien précise, qui dépend de l'atome considéré, jaune orangé pour le sodium, à la limite du rouge et de l'infrarouge pour le rubidium. On imagine bien qu'un faisceau laser heurtant un atome qui va à sa rencontre ralentira ce dernier.

Il était plus difficile de ralentir tous les atomes d'une vapeur. Une méthode exploitant l'effet Doppler, qui change la fréquence des ondes pour un système en mouvement, permet de le faire. Imaginons tout d'abord que les atomes ne se déplacent que sur une ligne droite, mais dans les deux sens. On les éclaire avec deux faisceaux lasers arrivant en sens opposés. De plus, et c'est là le cœur de cette technique, on accorde le laser sur une fréquence un peu plus faible que celle qu'absorberaient des atomes immobiles. Par suite de l'effet Doppler, les atomes qui se dirigent vers un des lasers voient la fréquence de celui-ci augmentée par le mouvement. Ce déplacement de fréquence compense le décalage initial, et les atomes absorbent facilement les photons du laser, [...]

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ATOMIQUE PHYSIQUE

  • Écrit par 
  • Philippe BOUYER, 
  • Georges LÉVI
  •  • 6 703 mots
  •  • 1 média

Dans le chapitre « Les lasers à atomes »  : […] » alors que les bosons s'apparentent plutôt aux « moutons de Panurge ». Les bosons ont ainsi tendance à s'accumuler dans l'état fondamental du système, c'est la condensation de Bose-Einstein. Ce phénomène, qui est certainement à l'origine de la superfluidité de l'hélium 4, fut clairement mis en évidence en 1995 dans un gaz […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-atomique/#i_43361

COHEN-TANNOUDJI CLAUDE (1933-    )

  • Écrit par 
  • Étienne GUYON
  •  • 764 mots

de la sorte un « laser à atomes » – un rêve qui pourrait devenir réalité depuis qu'un « condensat de Bose-Einstein » formé d'atomes de rubidium a été obtenu par son groupe en 1998. Il s'agit là d'un nouvel état de la matière particulièrement bien ordonné où toutes les particules du gaz s'accumulent dans le même état quantique. Les prédictions […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/claude-cohen-tannoudji/#i_43361

CORNELL ERIC A. (1961-    )

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 404 mots

le groupe de Carl Wieman à l'université du Colorado à Boulder, où il est nommé professeur deux ans plus tard. Il se consacre alors à la recherche du condensat de Bose-Einstein, état prédit en 1924 par Satyendranath Bose et Albert Einstein, dans lequel les atomes sont sujets d'un étrange comportement collectif qui ne se décrit simplement qu'en […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/eric-a-cornell/#i_43361

KETTERLE WOLFGANG (1957-    )

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 322 mots

par interaction avec un faisceau laser et par évaporation. En 1993, Ketterle est nommé professeur assistant et Dave Pritchard lui confie la direction de son équipe de recherche. Le 29 septembre 1995, l'équipe de Ketterle observe la condensation de Bose-Einstein de 500 000 atomes de sodium, après un cycle de refroidissement de 9 secondes […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/wolfgang-ketterle/#i_43361

LEE DAVID (1931-    )

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 362 mots

– avait été découverte à la fin des années 1930 par le physicien russe Petr Kapitsa pour l'hélium 4, et était comprise comme une condensation de Bose-Einstein. Cette propriété quantique, qui ne sera mise en évidence qu'en 1995 pour des vapeurs de rubidium refroidies à quelque 10—7 K, résulte de l'effondrement de tous les atomes dans l'état de […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/david-lee/#i_43361

MATIÈRE (physique) - États de la matière

  • Écrit par 
  • Vincent FLEURY
  •  • 5 803 mots
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Dans le chapitre « Un état encore moins classique, le superfluide quantique »  : […] Il se trouve que certains objets quantiques, les bosons, obéissent à un type de statistique, appelé statistique de Bose-Einstein, qui leur permet d'occuper « à plusieurs » le même état quantique. Dans cette circonstance, on peut placer une quantité macroscopique de matière dans un état quantique collectif, cohérent, unique. On peut observer ce type […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/matiere-physique-etats-de-la-matiere/#i_43361

OSHEROFF DOUGLAS DEAN (1945-    )

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
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– avait été découverte à la fin des années 1930 par le physicien russe Petr Kapitsa pour l'hélium 4, et était comprise comme une condensation de Bose-Einstein. Cette propriété quantique, qui ne sera mise en évidence qu'en 1995 pour des vapeurs de rubidium refroidies à quelque 10—7 K, résulte de l'effondrement de tous les atomes dans l'état de […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/douglas-dean-osheroff/#i_43361

PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Bosons

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  • Jacques DUPONT-ROC, 
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  • Bernard PIRE
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  •  • 4 médias

Dans le chapitre « Caractéristiques générales »  : […] T) — 1, où k est la constante de Boltzmann. Cette loi implique qu'à basse température, les états d'énergie minimale sont beaucoup plus peuplés que les autres. Les ensembles de bosons sont sujets, à très basse température, au phénomène appelé « condensation de Bose », qui favorise l'accumulation des particules dans un même état quantique […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/particules-elementaires-bosons/#i_43361

RICHARDSON ROBERT COLEMAN (1937-2013)

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
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– avait été découverte à la fin des années 1930 par le physicien russe Petr Kapitsa pour l'hélium 4, et était comprise comme une condensation de Bose-Einstein. Cette propriété quantique, qui ne sera mise en évidence qu'en 1995 pour des vapeurs de rubidium refroidies à quelque 10—7 K résulte de l'effondrement de tous les atomes dans l'état de […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/robert-coleman-richardson/#i_43361

STATISTIQUE MÉCANIQUE

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  • Berni J. ALDER, 
  • Bernard JANCOVICI
  •  • 5 923 mots
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Dans le chapitre « Statistique de Bose-Einstein »  : […] Cette réunion d'un nombre macroscopique de bosons dans un même état quantique s'appelle la condensation de Bose-Einstein. Cette condensation constitue un exemple simple de transition de phase : les fonctions thermodynamiques du système ont une singularité mathématique à la température T […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/mecanique-statistique/#i_43361

SUPERFLUIDITÉ

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Dans le chapitre « L'hélium 3 et les autres superfluides »  : […] Une faible attraction d'origine magnétique existe en effet entre atomes d'hélium 3, et elle est susceptible de les associer par paires, lesquelles subissent alors une condensation de Bose-Einstein. La superfluidité de ce système tient à ce que toute perte d'énergie passe par la brisure d'une paire, ce qui coûte au moins son énergie de liaison. Il […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/superfluidite/#i_43361

WIEMAN CARL E. (1951-    )

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
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qui se révèle extrêmement utile au piégeage et au refroidissement des atomes. Rejoint par Eric Cornell en 1990, il se consacre à la quête du condensat de Bose-Einstein, état dans lequel les atomes se comportent à très basse température comme des ondes cohérentes identiques, à la façon des ondes lumineuses d'un laser. Les progrès rapides accomplis […] Lire la suite☛ http://www.universalis.fr/encyclopedie/carl-e-wieman/#i_43361

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Pour citer l’article

Elisabeth GIACOBINO, « BOSE-EINSTEIN CONDENSATION DE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le . URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/condensation-de-bose-einstein/