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Les atomes froids

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REE N°4/2012 ◗ 55 LES GRANDS DOSSIERsIntroduction Depuis le milieu des années 1980, la physique atomique con- naît des développements spec- taculaires. Grâce à une meilleure connaissance et une maîtrise crois- sante des interactions entre les photons et les atomes, il est pos- sible de refroidir de petits nuages d’atomes à des températures de quelques milliardièmes de degrés seulement au-dessus du zéro ab- solu (– 273,15 °C) et de les piéger dans le vide. Ces méthodes ont fait l’objet du prix Nobel de physique de 1997 qui a récompensé Claude Cohen- Tannoudji, Steven Chu et Williams Phillips. De ces travaux sur le refroidissement laser ont dé- coulé d’autres découvertes tout aussi spectaculaires, en particulier la mise en évidence expérimentale en 1995 de la condensation de Bose Einstein. Ce nouvel état de la matière aux propriétés exceptionnelles avait été prévu depuis les années 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 dé- couverte. En trente ans, ce domaine de la physique s’est consi- dérablement développé. En France, les recherches sur les atomes froids ont été initiées par l’équipe de Claude Cohen-Tannoudji du Laboratoire Kastler Brossel de l’École normale supérieure. Cette thématique s’est ensuite pro- gressivement développée en France, d’abord en région parisienne, puis dans le reste du pays, souvent par es- saimage de jeunes équipes à partir de la branche pari- sienne. La communauté des atomes implique maintenant plusieurs centaines de chercheurs en France et elle est très nombreuse dans tous les pays développés. L’intérêt de toutes ces recherches n’est pas seulement de battre des records de froid mais de pouvoir contrôler et manipuler la matière pour l’amener dans des condi- tions expérimentales jusque-là inaccessibles. Les propriétés quantiques de la matière, telles que la dualité onde-corpus- cule ou la condensation de Bose-Einstein, ont enfin pu être directement étudiées dans les laboratoires de recher- che. Leurs applications sont égale- ment très prometteuses et ce sont celles-ci surtout que nous voulons vous présenter dans ce dossier. Le premier article expose les fondements du refroidissement atomique. Ce bref panorama expli- que comment les lasers peuvent ralentir et donc refroidir un nuage d’atomes. Cet article explique aussi les difficultés techniques du refroi- dissement, notamment sur le système laser dont il faut pouvoir contrôler la longueur d’onde avec une précision relative de quelques milliardièmes. Ces techniques sont maintenant de mieux en mieux maîtrisées et permettent d’envisager l’industrialisation d’instruments basés sur des atomes froids. Les auteurs du second article de ce dossier, Arnaud Landragin et Phi- lippe Bouyer ont fondé avec Bruno Desruelle la société µQuanS, qui commercialise des horloges et des gravimè- tres basés sur des atomes froids. Ils présentent dans leur article l’utilisation des atomes froids pour la réalisation de capteurs inertiels et leurs applications tant pour la naviga- tion dans l’espace que pour la géophysique et des tests de physique fondamentale. Dans le troisième article, nous verrons enfin l’apport des atomes froids aux recherches sur la matière conden- sée. Ces recherches font usage d’atomes piégés dans des réseaux optiques qui sont utilisés comme modèles repré- sentatifs des matériaux solides. Des problèmes de mécani- que quantique parfois complexes auxquels les chercheurs sont confrontés en physique du solide (tels que la supra- conductivité haute température), peuvent maintenant être modélisés avec des atomes froids, systèmes sur lesquels les chercheurs ont une maîtrise beaucoup plus grande. Une telle approche va-t-elle aider à résoudre les problè- mes que se posent des ingénieurs électriciens ou électro- niciens ? Seul l’avenir nous le dira ! Post-scriptum A l’heure où nous bouclons ce dossier « atomes froids », nous apprenons que le prix Nobel 2012 de physique a été Les atomes froids Michèle Leduc Directrice de l'Institut Francilien de Recherche sur les Atomes Froids Présidente de la Société Française de Sociétés Scientifiques Pierre Cladé CNRS, Laboratoire Kastler Brossel 56 ◗ REE N°4/2012 LES GRANDS DOSSIERs Introduction décerné conjointement à David Wineland et Serge Haro- che. David Wineland fut le premier, en 1978, à mettre en œuvre les techniques de re- froidissement laser en utilisant des ions, bien avant qu’elles ne soient utilisées sur des atomes neutres. Serge Haroche, cher- cheur au Laboratoire Kastler Brossel, est un spécialiste de l’interaction matière-rayonne- ment. Au lieu de chercher à manipuler des atomes avec la lumière, comme pour le refroidissement laser, il manipule des photons avec des atomes. C’est ainsi qu’il a pu étudier un par un des photons piégés dans une cavité. Pour cela, il en- voie dans la cavité des atomes de rubidium préparés avec les techniques de refroidissement laser. ■ Michèle Leduc. Docteur en sciences physiques, Michèle Leduc a effectué presque toute sa carrière dans le Laboratoire Kastler Brossel (LKB) de l’Ecole normale supérieure, d’abord en étudiant les propriétés de l’hé- lium, puis en abordant le domaine des fluides quanti- ques polarisés à basse température. Depuis 1993, elle se consacre au domaine des atomes ultrafroids d’hélium 4 métastable et est actuellement directrice de l’Institut Francilien de Recherche sur les Atomes Froids (IFRAF). Présidente de la Fédération Française de Sociétés Scien- tifiques, Michèle Leduc est également constamment engagée en faveur des femmes dans la recherche avec l’association « Femmes et sciences » dont elle est mem- bre fondateur. Pierre Cladé. Ancien élève de l’École normale su- périeure de Paris, Pierre Cladé a effectué sa thèse dans l’équipe « Métrologie des systèmes simples et tests fon- damentaux » du Laboratoire Kastler Brossel (LKB). Après deux années de post-doctorat dans le groupe de W.D. Phillips aux États-Unis, il a rejoint en 2007, en tant que chargé de recherche au CNRS, l’équipe du LKB où il a effectué sa thèse. Il poursuit depuis ses travaux sur la me- sure de haute précision de la vitesse du recul d’un atome et la détermination de la constante de structure fine. Comment refroidir les atomes froids avec la lumière laser ? Principes et techniques Par Saïda Guellati-Khelifa, Pierre Cladé ................................................................................................................................. p. 57 Senseurs d’inertie à ondes de matières - Des appareils de précision pour la navigation, la géophysique et les tests spatiaux Par Philippe Bouyer, Arnaud Landragin .................................................................................................................................. p. 67 Atomes froids et physique du solide Par Frédéric Chévy, Xavier Leyronas, Laurent Sanchez-Palencia .................................................................................... p. 71 les articles