ATOMIQUE PHYSIQUE

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La nouvelle physique atomique

Depuis le début du xxe siècle, la physique quantique n'a cessé de surprendre, d'intriguer et d'émerveiller. Elle permet, entre autres, de réconcilier les descriptions ondulatoires et corpusculaires, irréductiblement contradictoires en physique classique. Depuis le début du xxie siècle, les physiciens savent désormais manipuler les atomes pour utiliser cette dualité. Ils parviennent à capturer et immobiliser les particules dans des pièges. Les atomes peuvent y être animés par des vitesses aussi faibles que quelques millimètres par seconde, soit une température de l'ordre du millionième de degré au-dessus du zéro absolu (environ — 273 0C). Ces techniques permettent de réaliser des expériences d'optique et d'interférométrie où les atomes remplacent la lumière, ouvrant ainsi la voie à la réalisation de nouveaux instruments comme des horloges ultraprécises, ou des gyroscopes de très grande sensibilité, utiles en navigation par exemple. Enfin, à de telles températures, la nature quantique des particules se révèle aussi à nos yeux dans le phénomène de condensation de Bose-Einstein, où les atomes perdent leur « individualité » pour former ensemble un « superatome » dont le comportement est régi par les règles de la mécanique quantique. Il s'agit là d'étudier un nouveau comportement de la matière jusqu'alors inconnu.

Les atomes refroidis

L'action mécanique de la lumière sur les objets matériels avait été pressentie dès le début du xviie siècle par Kepler. Il expliquait ainsi que, si la queue des comètes est toujours orientée à l'opposé du Soleil, c'est en raison de la pression exercée par la lumière solaire sur les particules qui composent cette queue. Depuis lors, on a appris à maîtriser cette force radiative qui peut alors conduire à un refroidissement (affinement de la distribution de vitesse autour d'une vitesse moyenne) ou à un piégeage (confinement dans l'espace).

L'action mécanique de la lumière

La première expérience mettant en évidence l'action de la lumière sur les atomes fut réalisée par Otto Robert Frisch en 1933 : un jet d'atomes de sodium était dévié sous l'effet du rayonnement d'une lampe à décharge de sodium.

La force qui dévie ce jet résulte de la répétition de « reculs » subis par l'atome à chaque fois qu'il absorbe un photon (le photon est un grain de lumière). Un photon possède en effet une quantité de mouvement qu'il transfère à la particule, provoquant alors une modification de sa vitesse suivant la direction dans laquelle ce photon se déplace. Ce changement de vitesse par photon absorbé était prévu par Einstein dès 1917. Il est appelé vitesse de recul, vitesse induite par l'absorption ou l'émission d'un photon, et peut varier, suivant la nature des atomes, de quelques millimètres par seconde à quelques mètres par seconde.

L'observation de tels phénomènes restait néanmoins difficile avec des sources lumineuses « classiques », les vitesses mises en jeu (quelques millimètres par seconde) étant beaucoup plus faibles que les vitesses thermiques des atomes à température ambiante (quelques centaines de mètres par seconde). L'avènement des lasers continus accordables, capables de répéter ce processus élémentaire un grand nombre de fois par unité de temps, a permis de rendre possible cette observation en agissant de façon appréciable sur les degrés de liberté externes (position et vitesse) de l'atome. Par exemple, un atome placé dans un faisceau laser est poussé dans la direction de propagation de ce faisceau. L'accélération correspondante peut prendre des valeurs considérables (100 000 fois l'accélération de la pesanteur). C'est la pression de radiation.

On sait ainsi, depuis le début des années 1980, ralentir le mouvement de nombreuses espèces atomiques ; alcalins, alcalino-terreux, gaz rares portés dans un niveau métastable. Ce ralentissement est obtenu en éclairant le jet atomique à contre-courant par un faisceau laser résonnant avec une transition atomique. Il conduit à un ensemble d'atomes de vitesse moyenne ajustable, éventuellement nulle, avec une dispersion très faible autour de cette vitesse moyenne.

Refroidir un gaz d'atomes

Si on utilise maintenant deux faisceaux se propageant en sens inverse, en leur choisissant une fréquence identique inférieure à la fréquence de la transition atomique (on parle de faisceau désaccordé en dessous de la résonance atomique), on freine les atomes dans deux directions opposées et on les oblige ainsi à rester immobiles. En effet, si l'atome se déplace dans quelque direction que ce soit (droite ou gauche), il se rapproche d'une onde laser dont l'efficacité est ainsi augmentée au détriment de l'onde opposée grâce à l'effet Doppler. Il est ainsi possible d'obtenir un refroidissement, le refroidissement Doppler, dont le principe a été suggéré en 1975.

En pratique, il est impossible d'immobiliser complètement les atomes. Cette méthode de refroidissement s'accompagne en effet d'un chauffage parasite induit par le mouvement aléatoire des atomes après une émission spontanée. Cette diffusion de l'impulsion conduit à une température minimale limite accessible qui est comprise entre 1 mK et 0,1 mK suivant la nature de l'atome utilisé, soit des vitesses de quelques centimètres par seconde. Cette technique peut aussi être appliquée à trois dimensions en utilisant trois paires de faisceaux orthogonales, conduisant à l'obtention de ce qui est appelé « mélasses optiques ».

Plus de vingt-cinq ans après cette proposition initiale, le refroidissement Doppler reste pour les ions le moyen le plus utilisé pour obtenir une agitation thermique minimale. Pour les particules neutres (atomes), en revanche, des processus de refroidissement nettement plus efficaces ont été découverts en 1988. Ce sont d'abord les processus dit « sub-Doppler » qui permettent d'atteindre des températures limites de quelques microkelvins (soit des vitesses correspondant à la vitesse de recul induite par l'absorption d'un photon). Enfin, on a découvert certains processus permettant de s'affranchir de la limite induite par l'émission spontanée en préparant l'atome dans un état qui n'interagit plus avec la lumière (on parle d'état noir). Cette technique permet d'atteindre des températures très proches du zéro absolu.

Piéger les atomes

Dans ces mélasses optiques, le seul effet de confinement produit est dû à la force de friction : les atomes effectuent une course aléatoire dans le volume défini par l'intersection des six faisceaux laser, et la densité est pratiquement uniforme dans ce volume. Pour certaines applications, il peut être utile d'avoir des nuages atomiques plus compacts et plus denses. Il faut donc créer une force de rappel vers le centre.

Les

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Pour citer l’article

Philippe BOUYER, Georges LÉVI, « ATOMIQUE PHYSIQUE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-atomique/