Version classiqueVersion mobile
OpenEdition Books

Atomes et rayonnement

 | 
Jean Dalibard

Atomes et rayonnement

Leçon inaugurale prononcée le jeudi 18 avril 2013

Jean Dalibard

Texte intégral

1Monsieur l’Administrateur,
Chers collègues,
Mesdames, Messieurs,

  • 1 Johannes Kepler, De cometis libelli tres. I. Astronomicus… II. Physicus… III. Astrologicus…, August (...)

2Au début du xviie siècle, l’astro­nome allemand Johannes Kepler cherche à com­prendre un phéno­mène mys­térieux : les queues des comètes, ces objets célestes auxquels on attribue des propriétés surna­turelles, pointent toujours à l’opposé du Soleil. Quand une comète s’approche du Soleil, cela correspond à l’image d’une chevelure flottant au vent. Mais quand la comète s’éloigne du Soleil, la queue précède le noyau de la comète, ce qui semble aller contre l’intuition. Pour expliquer ce phénomène, Kepler fait la proposition suivante1 : « La queue d’une comète est formée par une matière que les rayons du Soleil chassent par leur impulsion hors du corps de la comète. »

  • 2 Nicolas Hartsoeker, Principes de physique, publié à Paris chez Jean Anisson, directeur de l’Imprime (...)

3À la fin du même siècle, le physicien néerlandais Nicolas Hartsoeker, associé à notre Académie des sciences, écrit dans ses Principes de physique2 : « Les voyageurs assurent que le Danube est beaucoup moins rapide le matin lorsque les rayons du Soleil s’opposent à sa course, qu’il ne l’est l’après-midi lorsqu’ils aident ce cours. »

4De ces deux scientifiques, l’un, Kepler, avait au moins partiellement raison ; l’autre, Hartsoeker, ne décrivait qu’une illusion d’optique. Mais les deux savants avaient eu l’intuition d’un phénomène qui joue un rôle essentiel dans la physique d’aujourd’hui : la lumière, et plus généralement le rayonnement électromagnétique, peut agir sur les atomes et les molécules qui composent la matière.

5Les deux mots atomes et rayonnement qui composent le titre de cette chaire représentent l’essentiel du monde physique qui nous est familier. La lumière est à la fois un canal d’information sur notre environnement et un moyen de le contrôler ; canal d’information pour l’astronome par exemple, qui, en observant la couleur d’une étoile, en déduira son âge ; moyen d’action ensuite, car la lumière peut apporter localement une quantité d’énergie déterminée : la découpe des matériaux par laser en est une illustration.

6Matière et rayonnement sont intimement liés dans la progression des connaissances. Nos modélisations du mouvement des particules et de la lumière ont avancé de pair ; chaque voie d’étude a fourni des clés de passage permettant de débloquer l’autre quand cette dernière se trouvait dans une impasse. Ainsi, au xviie siècle, Fermat explique les lois de la réflexion et de la réfraction de la lumière – énoncées auparavant par Descartes et Snell – grâce à son principe : « La nature agit toujours par les voies les plus courtes et les plus simples. » Cent ans plus tard, l’extension de l’idée de Fermat à la mécanique par Maupertuis, Lagrange et Euler donnera naissance au principe de moindre action, d’une très grande portée encore aujourd’hui. Au tournant du xxe siècle, l’étude de la lumière émise par un four permet à Max Planck de jeter la première pierre de ce qui allait devenir la physique quantique et fournir une explication à la stabilité de la matière. Cinquante ans plus tard, ce sont des mesures très précises sur la structure des atomes, faites par Willis Lamb, qui conduiront à la construction de l’électrodynamique quantique, la modélisation désormais universellement acceptée pour décrire le rayonnement.

7L’électrodynamique quantique est une théorie extraordinairement précise : malgré des tests de plus en plus contraignants, elle n’a jamais été mise en défaut. Son succès même ouvre une question essentielle : sur le plan fondamental, reste-t-il des problèmes ouverts dans cette science des atomes et de la lumière ? En d’autres termes, l’optique et la physique atomique ne sont-elles pas devenues des technologies au service d’autres disciplines ?

8Je souhaite apporter dans cette leçon quelques éléments de réponse qui prouveront au contraire toute la vitalité de ce champ de recherche. Nous devons cette vitalité à un dispositif, le laser, un nom qui désigne en fait une variété considérable d’outils ; il peut représenter un faisceau que l’on envoie se réfléchir sur la Lune pour en mesurer l’éloignement, ou une source lumineuse injectée dans une fibre optique comme support d’information, ou encore un train d’impulsions brèves et intenses permettant de sonder la dynamique de réactions chimiques, voire d’initier la fusion de noyaux atomiques.

9Il serait trop ambitieux de chercher à décrire tous ces champs de recherche dans une leçon ; je vais donc centrer cet exposé sur une des applications les plus spectaculaires et paradoxales du laser, le refroidissement des gaz d’atomes. Alors que le laser est traditionnellement associé à l’idée de chaleur, on peut également l’utiliser pour diminuer considérablement le mouvement aléatoire des particules d’un gaz et arriver à un ordre quasi parfait, moins d’un millionième de degré au-dessus du zéro absolu. On fabrique ainsi une matière quantique, aux propriétés radicalement différentes des fluides ou des solides que nous rencontrons au quotidien. L’intérêt pour cette matière quantique dépasse largement le cadre des spécialistes de la physique atomique. Physiciens de la matière condensée, chimistes, mathématiciens, astrophysiciens y trouvent des illustrations et des questionnements sur des phénomènes issus de leur discipline.

10Avant de présenter plus en détail ce vaste champ de recherche, je voudrais insister sur la forte tradition du Collège de France dans laquelle il s’inscrit. De nombreux professeurs de cette institution ont marqué au plus haut niveau la physique de la lumière et des atomes. Je ne mentionnerai que quelques noms prestigieux de scientifiques qui ont forgé cette discipline. Au xixe siècle, André-Marie Ampère, Jean-Baptiste Biot et Félix Savart ont jeté ici les bases de la conduction électrique et du magnétisme, qui seront ensuite unifiées dans la théorie électromagnétique de Maxwell. Au début du xxe siècle, Paul Langevin profite de sa chaire au Collège de France pour diffuser les idées d’Einstein sur la théorie de la relativité et pour proposer un modèle de l’électron, ce grain élémentaire de matière chargée sur lequel nous allons revenir. Un peu plus tard, Léon Brillouin construit et enseigne la physique de l’état solide, une discipline nouvelle qui adapte les concepts de la mécanique quantique aux systèmes matériels à grand nombre de particules ; nous la retrouverons elle aussi dans cette leçon. Enfin, je voudrais saluer deux très grands physiciens et professeurs que j’ai eu la chance de côtoyer. Anatole Abragam, par son étude du magnétisme nucléaire, a jeté les bases d’une théorie qui s’étend à de nombreux phénomènes physiques, en particulier à mon propre domaine de recherche, l’optique quantique. Claude Cohen-Tannoudji a été mon directeur de thèse, il a guidé avec une extrême bienveillance mes premiers pas dans la recherche, et il me fait l’honneur et l’amitié d’être là ce soir. Pendant plus de trente ans, l’enseignement de Claude a joué un rôle considérable pour toute la communauté française de physique atomique et moléculaire, et il a accompagné, voire provoqué, les mutations profondes qui se sont produites pendant cette période.

11Après avoir cité ces grands noms, comment ne pas se sentir humble et également quelque peu effrayé devant la tâche à accomplir ? Je mesure certainement tout l’honneur qui m’est fait de porter une chaire du Collège de France consacrée à ce sujet. Je tiens à vous remercier, cher Serge Haroche, d’être venu un jour me proposer ce défi et d’avoir soutenu ma candidature devant l’assemblée des professeurs, et vous tous, chers collègues, de m’avoir accordé votre confiance.

L’atome de Bohr a cent ans

  • 3 Pour en savoir plus sur la démarche de Niels Bohr, on pourra consulter l’ouvrage de Max Jammer, The (...)

12Je vous propose de commencer ce voyage au pays des atomes froids par une célébration. Ce mois d’avril 2013 représente un anniversaire spécial dans l’histoire de l’évolution des idées sur la description de la matière. Il y a juste cent ans, le jeune physicien danois Niels Bohr proposait un modèle pour sortir la physique classique de l’impasse dans laquelle elle se trouvait quand elle cherchait à rendre compte de la stabilité des atomes3.

13Au début de l’année 1913, Niels Bohr rentre au Danemark, après deux séjours dans les laboratoires de Thomson à Cambridge et de Rutherford à Manchester. Il est au courant de leurs dernières découvertes expérimentales : la matière est composée de particules chargées positivement, les noyaux atomiques, dans lesquelles l’essentiel de la masse est concentrée, et de particules beaucoup plus légères, chargées négativement, les électrons. Toutes ces particules n’occupent qu’une fraction infime de l’espace. Si on dilatait un atome pour lui donner la taille de cette salle, le noyau de l’atome aurait la dimension d’une tête d’épingle et les électrons seraient encore plus petits, peut-être ponctuels ; entre le noyau et les électrons, du vide, rien que du vide. La question à laquelle Bohr réfléchit, comme beaucoup d’autres physiciens, est l’étonnante stabilité de cet édifice atomique. Qu’est-ce qui empêche chaque électron de se précipiter sur le noyau ?

14Bohr a souvent déclaré que tout est devenu clair pour lui quand on l’a mis en présence de la formule de Balmer. Cette formule portait sur les raies spectrales de l’hydrogène, c’est-à-dire les longueurs d’onde de la lumière émises par ce gaz quand il est chaud. En voici quelques valeurs : 656,2 nm (rouge), 486,1 nm (bleu-vert), 434,0 nm et 410,0 nm (violet), auxquelles on peut ajouter 121,5 nm et 102,5 nm, situées dans l’ultraviolet. Balmer avait remarqué en 1885 qu’on pouvait écrire ces longueurs d’onde sous une forme mathématique simple, formule complétée ensuite par Rydberg et Ritz :

1/λ =1/λ0 (1/p2 – 1/n2)

p et n sont deux nombres entiers (1, 2, 3, …) et où λ0 = 91,1 nm.

15Ce lien entre la lumière émise par l’hydrogène et les nombres entiers était-il une simple coïncidence ou cachait-il une vérité profonde ? Bohr, convaincu de la validité de la seconde hypothèse, est parti d’un modèle planétaire de l’atome, popularisé par Jean Perrin une dizaine d’années auparavant. Dans ce modèle, le noyau est immobile au centre, dans le rôle du Soleil, les électrons beaucoup plus légers tournant autour comme les planètes. Mais Bohr vient ajouter l’hypothèse cruciale que seules certaines orbites sont autorisées pour ces planètes électroniques, les nombres entiers p ou n de la formule de Balmer servant justement à les repérer.

16Avec son hypothèse supplémentaire, Bohr fait émerger une idée fondamentale, qui sera ensuite validée par le développement de la théorie quantique et qui s’étendra à toutes les espèces atomiques : si on mesure l’énergie interne d’un atome, c’est-à-dire l’énergie des électrons en mouvement autour du noyau, les seuls résultats possibles sont des valeurs discrètes E1, E2, E3, etc. Une espèce atomique donnée – hydrogène, hélium, lithium, etc. – est caractérisée par cette échelle de niveaux d’énergie, qui peut être considérée comme sa carte d’identité.

17Affirmer qu’un atome a pour énergie interne E1 suffit, moyennant certaines subtilités sans importance ici, à préciser l’état de son cortège d’électrons. L’atome – ou plus rigoureusement son cortège électronique – peut changer d’état, c’est-à-dire passer de l’état 1 vers un état d’énergie plus élevé, l’état 3 par exemple, en absorbant un photon, c’est-à-dire un grain de lumière (figure 1). Ce processus est possible si le photon a pour énergie E3E1, ce qui assure que l’énergie totale du système « atome et lumière » est conservée. Une fois dans l’état 3, l’atome peut revenir vers l’état 1 en émettant un autre photon, la conservation de l’énergie imposant là encore que le photon ait l’énergie E3E1. Ces deux processus élémentaires, absorption et émission de photons, sont les briques avec lesquelles l’interaction entre matière et rayonnement se construit.

Figure 1

Figure 1

Processus d’absorption par un atome. À gauche, un photon d’énergie E3E1 arrive sur un atome préparé dans son état fondamental, d’énergie E1. À droite, l’atome a absorbé le photon et il est passé dans l’état d’énergie E3.

18La connaissance de l’échelle d’énergie interne pour une espèce atomique donnée permet donc de déterminer l’énergie des photons, c’est-à-dire les couleurs de la lumière qu’un atome de cette espèce va pouvoir absorber et émettre. C’est en particulier le cas pour les raies spectrales de l’hydrogène, qui ont servi de fil d’Ariane à Niels Bohr.

Refroidir la matière avec de la lumière

19Après la célébration de cet acte fondateur, venons-en au point d’ancrage de cette leçon : comment refroidir la matière avec la lumière ?

20La thermodynamique nous enseigne que température et désordre sont intimement liés. Dans un gaz, le mouvement des atomes ou des molécules est erratique et leur vitesse d’agitation augmente avec la température. Ainsi les molécules d’azote et d’oxygène qui composent l’air ambiant ont des vitesses typiques de quelques centaines de mètres par seconde et la température est d’environ 300 kelvins. Nous utilisons ici la notion de température absolue, obtenue en partant de la température habituelle, mesurée en degrés Celsius, et en lui ajoutant 273,15 degrés. L’intérêt de la température absolue est d’indiquer immédiatement l’écart au repos complet, obtenu à température nulle.

  • 4 A. Kastler, « Quelques suggestions concernant la production optique et la détection optique d’une i (...)

21Refroidir une assemblée de particules, c’est donc diminuer son désordre. Alfred Kastler et Jean Brossel, avec l’invention et le développement du pompage optique, ont fait un premier pas dans cette direction4. Pour présenter leur idée, considérons une espèce atomique dont l’échelle d’énergie possède deux états de basse énergie, notés 1 et 2 sur la figure 2. Ces états sont supposés stables, au sens où un atome isolé que l’on a préparé dans l’état 1 ou dans l’état 2 y restera indéfiniment. Choisissons une configuration initiale de notre assemblée de particules telle que les atomes sont répartis aléatoirement sur l’un ou l’autre des états 1 et 2. Le désordre est constitué ici par le fait que l’on ne connaît pas l’état occupé par un atome donné et il s’agit de faire disparaître cet élément aléatoire.

22Cherchons par exemple à mettre tous les atomes dans l’état 1. Pour cela, éclairons les atomes avec une lumière dont les photons ont pour énergie E3E2. Cette lumière va faire passer efficacement les atomes de l’état 2 vers l’état 3, d’énergie plus élevée. Un atome occupant l’état 1 est en revanche insensible à ce rayonnement : il va donc y rester indéfiniment.

Figure 2

Figure 2

Principe du pompage optique. En haut, une assemblée de six atomes est répartie aléatoirement sur les états d’énergie E1 et E2. En bas, après avoir éclairé les atomes avec des photons d’énergie E3E2, on a accumulé tous les atomes dans l’état d’énergie E1 : le désordre initial a été supprimé.

23Quand un atome monte de l’état 2 à l’état 3, il ne demeure pas bien longtemps sur cet état d’énergie élevée. En effet, cet état est choisi instable, et l’atome finit par retomber sur l’état 1 ou sur l’état 2 en émettant un autre photon. S’il tombe sur l’état 1, il s’y arrête : c’est l’accumulation recherchée. S’il tombe sur l’état 2, il va de nouveau absorber un photon, remonter sur l’état 3, et retenter sa chance. Au bout d’un temps assez long, l’aiguillage vers l’état 1 s’est produit pour tous les atomes : on a bien diminué le désordre initial de l’assemblée atomique grâce à la lumière.

24Le pompage optique n’est qu’une première étape vers les basses températures. Pour refroidir un gaz, il ne suffit pas d’ordonner la distribution des atomes sur leurs états d’énergie interne. Il faut également diminuer la vitesse du centre de masse, c’est-à-dire de l’ensemble « noyau et électrons », de chaque atome. Partant d’atomes allant dans toutes les directions de l’espace à des vitesses différentes, il s’agit de les amener quasiment au repos. Plusieurs méthodes ont été mises en œuvre pour cela et nous allons en présenter une, très efficace, appelée refroidissement Sisyphe.

  • 5 C. Cohen-Tannoudji, « Observation d’un déplacement de raie de résonance magnétique causé par l’exci (...)

25Commençons par une remarque préliminaire sur nos moyens d’action possibles. Nous avons indiqué que l’échelle d’énergie E1, E2, … était caractéristique d’une espèce atomique donnée. Néanmoins, cette échelle n’est pas complètement figée : quand on soumet des atomes à un champ électrique ou magnétique, la position des barreaux est modifiée. C’est également le cas quand on éclaire les atomes avec un faisceau lumineux, comme Claude Cohen-Tannoudji l’a montré en 1961 : la lumière peut déplacer, vers le haut ou vers le bas, les niveaux d’énergie atomiques5.

26Comme pour la description du pompage optique de Kastler et Brossel, nous allons considérer une espèce atomique avec deux niveaux d’énergie interne stables, notés 1 et 2. Nous allons supposer que ces niveaux peuvent être déplacés par un faisceau lumineux de manière opposée : la lumière déplace le niveau 1 légèrement vers le bas et le niveau 2 légèrement vers le haut. En l’absence de lumière, les niveaux sont resserrés, et ils s’écartent l’un de l’autre en présence de lumière.

27Pour simplifier notre analyse, limitons le mouvement de nos atomes à une seule direction de l’espace. Nous les éclairons avec un faisceau lumineux se propageant le long de cet axe. Grâce à un miroir, nous renvoyons le faisceau sur lui-même. Un phénomène d’interférences produit alors une onde stationnaire. En certains points, les « ventres » de l’onde stationnaire, l’amplitude de l’onde lumineuse « aller » et celle de l’onde lumineuse « retour » s’additionnent pour donner une intensité totale importante. En d’autres points, les « nœuds » de l’onde stationnaire, les amplitudes se soustraient et l’intensité lumineuse totale est quasiment nulle.

28La modulation de l’intensité de la lumière va s’imprimer sur les niveaux d’énergie de l’atome. Aux nœuds de l’onde stationnaire, il n’y a pas de déplacement lumineux : les niveaux 1 et 2 sont proches l’un de l’autre ; aux ventres de l’onde stationnaire, ces déplacements sont importants et les niveaux 1 et 2 sont écartés. Quand on trace l’énergie des niveaux 1 et 2 en fonction de la position de l’atome dans l’onde stationnaire (figure 3), on obtient une variation périodique, comme l’énergie potentielle d’une bille qui roulerait sur une tôle ondulée.

  • 6 J. Dalibard et C. Cohen-Tannoudji, « Dressed-atom approach to atomic motion in laser light: the dip (...)

29Nous avons désormais les ingrédients nécessaires pour comprendre le refroidissement Sisyphe6. Considérons un atome qui bouge dans ce paysage vallonné, comme représenté sur la figure 3. L’atome commence par exemple par monter une colline de potentiel associée au niveau 2. Après avoir atteint le sommet de la colline, l’atome va en principe en descendre l’autre versant. Mais nous pouvons perturber sa course en tirant parti du pompage optique. Plus précisément, nous pouvons faire en sorte que l’atome, quand il passe au sommet de la colline, soit transféré vers le niveau 1, où il se trouve alors au fond d’une vallée. L’atome effectue alors une deuxième montée, à la suite de laquelle il arrive en haut d’une colline pour le niveau 1. En ce point, le pompage optique, s’il est bien maîtrisé, peut ramener l’atome vers le niveau 2, le forçant à escalader une troisième colline d’affilée, et ainsi de suite. L’atome enchaîne donc une succession de montées, jusqu’à ce que son énergie soit trop faible pour atteindre le sommet suivant et qu’il reste piégé au fond d’une vallée.

30Nos atomes sont donc dans une situation qui rappelle celle du héros mythologique Sisyphe qui, pour avoir osé défier les dieux, fut condamné à pousser sans cesse un rocher vers le sommet d’une montagne. La fin de leur histoire est toutefois différente de celle de Sisyphe : contrairement au héros qui semblait disposer d’une réserve d’énergie infinie, nos particules terminent leur course quasiment immobiles, au fond des puits dessinés par l’onde lumineuse stationnaire. Leur énergie cinétique initiale a été emportée par les photons émis lors des processus de pompage optique. On utilise le terme de mélasse optique pour décrire ce milieu visqueux créé par le faisceau laser, dans lequel le mouvement des atomes est freiné comme celui d’une cuillère dans un pot de miel.

Figure 3

Figure 3

Principe du refroidissement Sisyphe. Dans une onde lumineuse stationnaire, les niveaux d’énergie sont modulés dans l’espace. Il existe des configurations telles que l’atome monte sans cesse des collines de potentiel, le pompage optique le plaçant au fond d’une vallée dès qu’il atteint un sommet. Quand son énergie devient trop faible, l’atome est piégé au fond d’un puits de potentiel.

31Les températures que l’on mesure quand on observe l’agitation thermique résiduelle des atomes à l’issue du refroidissement Sisyphe sont extraordinairement basses : elles se situent dans le domaine du microkelvin. Pour se représenter une température de cet ordre, plaçons quelques repères sur une échelle logarithmique, telle que chaque cran de l’échelle correspond à une augmentation d’un facteur 10 (figure 4). Les températures mesurées sur Terre, que l’on soit au pôle ou à l’équateur, sont très proches les unes des autres à cette échelle, entre 200 et 350 kelvins. À la surface du Soleil, la température est vingt fois plus élevée que sur la Terre, environ 6000 kelvins, le centre du Soleil étant quant à lui à environ 20 millions de kelvins. L’air devient liquide autour de 80 kelvins, une température quatre fois plus basse que la température ambiante.

32Les atomes froids dont nous parlons sont quant à eux tout en bas de cette échelle, 100 millions de fois plus froids que notre environnement immédiat. Sur notre échelle logarithmique, le cœur du Soleil, cinq crans au-dessus de notre environnement immédiat, est finalement plus proche de nous que les mélasses optiques, huit crans en dessous !

Figure 4

Figure 4

Échelle de températures (logarithmique). Les gaz d’atomes froids correspondent aux températures cinétiques les plus basses jamais mesurées.

33Puisque les atomes éclairés par les faisceaux lumineux refroidisseurs diffusent de la lumière, on peut les observer à l’œil nu au centre d’une enceinte à vide. La photographie de la figure 5 montre une assemblée de quelques millions d’atomes de sodium, placés à l’intersection de trois ondes stationnaires. La combinaison des effets Sisyphe dus à ces ondes permet de geler le mouvement des atomes dans les trois directions de l’espace. Quand les atomes pénètrent dans cette zone, ils sont littéralement englués par la lumière et s’accumulent en grand nombre, ce qui permet de les visualiser.

Figure 5

Figure 5

Image d’une mélasse optique de sodium contenant quelques millions d’atomes de sodium à l’intersection de trois paires de faisceaux lasers.

Photographie : W. D. Phillips, NIST, 1987.

  • 7 Voir par exemple les conférences Nobel : S. Chu, « The manipulation of neutral particles », Reviews (...)

34Les températures atteintes dans les expériences d’atomes froids sont les plus basses jamais mesurées7. Il faut les mettre en regard de celles obtenues par cryogénie à base d’hélium liquide, où l’on peut grâce à des prouesses technologiques atteindre le millikelvin. Pour être fair-play, il faut quand même ajouter que les expériences d’atomes froids sont beaucoup plus modestes en terme de nombre de particules manipulées ; l’échantillon montré en figure 5 contient quelques millions d’atomes, alors que les assemblées présentes dans un cryostat à hélium liquide se comptent en milliards de milliards de particules.

Atomes froids et mesure du temps

35Après cette présentation du refroidissement d’atomes, abordons ce qui a été historiquement une de ses toutes premières applications : l’amélioration des horloges atomiques. Ces horloges constituent nos gardiens du temps et sont donc d’une grande importance, aussi bien pour l’industrie et les services que pour la recherche fondamentale.

36Commençons par esquisser leur principe de fonctionnement. La référence de temps a longtemps été astronomique, fondée sur le jour sidéral. Mais la précision des horloges terrestres s’améliorant, notamment avec l’invention des dispositifs à quartz, les irrégularités du mouvement de rotation de la Terre ont rendu cette définition problématique. En 1967, lors de la treizième Conférence générale des poids et mesures, il a été décidé de basculer vers une référence atomique jugée à l’époque indéfectible. Pour des raisons pratiques, le choix s’est porté sur l’atome de césium, dont nous avons représenté sur la figure 6 les deux états d’énergie les plus bas, 1 et 2. Utilisons une fois de plus le fait que le rayonnement, si sa couleur est bien choisie, peut induire une transition entre les états atomiques. On pose par définition de la seconde que l’onde électromagnétique capable d’induire de manière optimale la transition entre l’état 1 et l’état 2 effectue 9 192 631 770 oscillations par seconde.

37Pour mettre en pratique cette définition, on fabrique un jet d’atomes de césium dans l’état 1, on envoie ces atomes dans une cavité où se propage l’onde électromagnétique, et on détecte combien d’atomes ont effectué la transition vers l’état 2. Une boucle de rétroaction permet de verrouiller la fréquence de l’onde électromagnétique pour maximiser ce nombre. Une fois l’onde électromagnétique à la bonne fréquence, pour savoir qu’une seconde vient de s’écouler, il « suffit » de compter avec un dispositif électronique le bon nombre d’oscillations de cette onde, c’est-à-dire les 9 milliards et quelques mentionnés plus haut. Tentons une comparaison avec une horloge de salon ; cette dernière comporte deux éléments essentiels : d’une part un balancier, d’autre part un système de comptage, qui détecte les oscillations du balancier et les transcrit en mouvement des aiguilles. D’une manière imagée, on peut dire que les atomes jouent ici le rôle du balancier, et l’onde électromagnétique le rôle du système de comptage.

Figure 6

Figure 6

Schéma de principe d’une horloge atomique.

38Utiliser des atomes froids dans une horloge présente de nombreux avantages. Mentionnons-en simplement un, lié à l’effet Doppler qui indique que l’onde émise par une source en mouvement n’a pas la même fréquence que si la source est au repos. L’effet Doppler est donc nuisible dans une horloge atomique ; si les atomes sont animés de mouvements aléatoires, il modifie de façon indésirable les fréquences de ces balanciers atomiques, et cela d’autant plus que les atomes vont vite. En revanche, si les atomes sont très lents, l’effet Doppler est beaucoup plus faible et son rôle nuisible devient négligeable.

  • 8 A. Clairon, C. Salomon, S. Guellati et W. D. Phillips, « Ramsey resonance in a Zacharias fountain » (...)

39Pour tirer pleinement parti des températures très basses des mélasses optiques, André Clairon et Christophe Salomon ont développé à l’Observatoire de Paris une fontaine atomique d’environ un mètre de haut, qui a ensuite été reproduite en de nombreux exemplaires dans le monde entier8. Cette horloge en fontaine atteint désormais une précision formidable, de 10–16 en valeur relative. Si elle fonctionnait depuis le Big Bang, elle retarderait ou avancerait de quelques secondes seulement.

40Loin d’être un simple exercice de style, une telle performance se révèle utile à la fois pour des applications de la vie quotidienne et pour la science fondamentale. Parmi les nombreuses applications, citons la navigation, le positionnement par satellite, la géodésie ou encore, dans un futur proche, les télécommunications à très haut débit. Parmi les retombées en physique, on trouve les tests de la relativité d’Einstein, que l’on peut mener avec une précision inédite. Par ailleurs, les astronomes peuvent grâce à ces horloges mettre en œuvre une interférométrie à très longue base pour améliorer le pouvoir de résolution de leurs télescopes.

41Avec cette précision relative de 10−16, les horloges atomiques ont-elles atteint leur limite ultime ? Certainement pas : plusieurs pistes sont actuellement explorées pour améliorer de manière très significative, c’est-à-dire au moins d’un facteur 10, voire d’un facteur 100, la précision sur la mesure du temps.

  • 9 C. Salomon, N. Dimarcq, M. Abgrall, A. Clairon, P. Laurent et al., « Cold atoms in space and atomic (...)

42La première voie consiste à placer les atomes en apesanteur, pour tirer parti de leurs faibles vitesses pendant encore plus longtemps. La mission ACES, financée par le Centre national d’études spatiales et l’Agence spatiale européenne, vise à mettre en orbite une horloge à atomes froids, fournissant ainsi à n’importe quel observateur terrestre une référence de temps universelle9.

43On envisage par ailleurs de changer la définition de la seconde pour utiliser une onde électromagnétique de référence dans le domaine visible plutôt que dans le domaine micro-onde, comme c’est le cas pour l’atome de césium. Ce changement d’apparence technique est fondé sur une considération très simple : toutes choses égales par ailleurs, la précision d’une horloge est d’autant meilleure que son balancier oscille vite.

44Enfin, on étudie la possibilité d’utiliser des transitions se produisant au sein des noyaux des atomes, en lieu et place des transitions entre niveaux du cortège d’électrons. Ce contrôle cohérent des niveaux nucléaires avec un faisceau lumineux, qui serait une grande première, permettrait de construire des horloges complètement isolées de leur environnement, leur assurant ainsi une fiabilité exceptionnelle.

45Terminons cette brève présentation des horloges atomiques par une question qui peut sembler étrange : ces horloges indiquent-elles toutes le même temps ? Si une horloge utilisant des atomes de césium mesure qu’une seconde vient de s’écouler, une horloge utilisant des atomes de rubidium donnera-t-elle le même résultat ? En principe, la comparaison des oscillations des balanciers correspondant à deux espèces différentes, césium et rubidium par exemple, se fait par une simple règle de trois. Cette règle de trois fait intervenir le quotient entre les deux écarts d’énergie E2E1 pour le césium, et E’2E’1 pour le rubidium. Ce quotient est lui-même une fonction de constantes fondamentales qui sont des nombres sans dimension. Un exemple de constante fondamentale est le rapport entre la masse du proton et la masse de l’électron, dont tout manuel de physique nous apprend qu’il vaut environ 1836. Si ces constantes fondamentales sont immuables, les horloges à césium et les horloges à rubidium doivent toujours indiquer le même écoulement du temps pourvu que l’on fasse la bonne règle de trois.

  • 10 J. C. Berengut et V. V. Flambaum, « Astronomical and laboratory searches for space-time variation o (...)

46Mais les constantes fondamentales sont-elles vraiment immuables ? Le proton a-t-il toujours été et sera-t-il toujours 1836 fois plus lourd que l’électron ? En comparant à plusieurs années d’intervalle deux horloges atomiques utilisant du césium pour l’une et du rubidium pour l’autre, nous pouvons chercher si ces nombres sans dimension sont restés les mêmes, à la précision des mesures près, ou s’ils ont légèrement dérivé10.

47Une variation des constantes fondamentales aurait une répercussion considérable sur les modèles actuellement développés pour décrire notre monde physique. Elle rendrait également quelque peu vain l’espoir de la Conférence générale des poids et mesures de 1967. Si des horloges utilisant des espèces atomiques différentes ne mesuraient pas le même écoulement du temps, le choix d’un balancier plutôt qu’un autre remettrait de l’arbitraire là où on pensait l’avoir définitivement éliminé.

Interférences atomiques et senseurs de l’espace

  • 11 Pour un panorama récent sur les interféromètres à ondes de matière, on pourra consulter l’article d (...)

48Nous venons de voir que les atomes froids sont à la base de nos étalons de temps les plus précis. Ils sont également en passe de devenir de très performants capteurs de l’espace, c’est-à-dire des senseurs de champs d’accélération ou de rotation. On utilise pour cela l’onde de matière associée à chaque atome. L’existence de cette onde a été pressentie par Louis de Broglie en 1923, pour devenir presque immédiatement le socle fondateur de la mécanique quantique. La longueur d’onde qui la caractérise, c’est-à-dire la distance entre deux crêtes successives de l’onde, est inversement proportionnelle à la vitesse de la particule. Pour les atomes d’un gaz à température ambiante, la vitesse d’agitation thermique est élevée, la longueur d’onde est courte, bien inférieure à la taille atomique, et les effets ondulatoires sont difficiles à observer. Pour des atomes froids, donc lents, la longueur d’onde est beaucoup plus grande et les effets ondulatoires de la matière peuvent être exploités plus facilement11.

49On réalise pour cela un interféromètre à ondes de matière, représenté schématiquement sur la figure 7. Les atomes sont émis à partir d’un point A et sont détectés en un point C. Pour aller de A vers C, deux chemins sont possibles, passant respectivement par les points B1 et B2. Dans le cadre de la physique ondulatoire, la probabilité qu’un atome arrive au point C résulte donc de l’interférence entre l’onde passée par le chemin du haut et celle passée par le chemin du bas.

Figure 7

Figure 7

Principe d’un interféromètre à ondes de matière à deux voies (trous de Young).

50Supposons qu’une légère différence entre les deux chemins apparaisse, par exemple parce qu’une masse extérieure vient modifier localement le champ de gravitation. La présence de cette masse s’observe directement sur le nombre d’atomes détectés au point C. En effet, la différence entre les chemins se traduit par un décalage des crêtes d’une onde par rapport à l’autre, et modifie leur figure d’interférence.

51Nous ne rentrerons pas plus dans les détails du fonctionnement de ces capteurs ; signalons simplement qu’ils font désormais jeu égal avec les meilleurs dispositifs de mesure du champ de pesanteur. On espère atteindre prochainement une précision meilleure que le milliardième de la gravité terrestre, ce qui ouvrira des perspectives très intéressantes dans de nombreux domaines – géophysique et détection minière par exemple.

Physique atomique et lois fondamentales

52La grande précision des mesures que l’on peut effectuer en combinant atomes et lasers permet d’aborder des questions a priori inattendues pour notre champ de recherche. Nous allons illustrer ici ce point en nous intéressant à la détection d’une éventuelle dissymétrie entre la matière et l’antimatière, une question liée à une énigme de la cosmologie.

53Pour situer le problème, revenons à nos atomes. Jusqu’ici, nous les avons décrits comme composés d’un noyau et d’électrons. Mais le noyau est en fait un objet composite, assemblage de protons et de neutrons. Ces protons et ces neutrons sont eux-mêmes composés de quarks. Lors des collisions qui se produisent dans les accélérateurs entre protons, électrons et noyaux, d’autres particules encore apparaissent. Pour expliquer cette multitude d’objets, les physiciens des hautes énergies disposent d’une théorie, le modèle standard, qui permet de classer ces particules en familles et d’expliquer leur masse12. Le modèle standard possède un pouvoir prédictif spectaculaire, comme en témoigne la découverte récente du boson de Higgs, clef de voûte de ce modèle.

54Le modèle standard est fondé sur le fait qu’à chaque particule est associée une antiparticule. Cette antiparticule a la même masse que la particule initiale et une charge opposée. Quand une particule et son antiparticule se rencontrent, elles s’annihilent en transformant leur énergie de masse en rayonnement. On observe de manière routinière l’annihilation d’antimatière produite par exemple lors des processus de radioactivité naturelle. En revanche, on ne détecte pas dans l’univers de dégagements d’énergie importants signalant la rencontre entre de grandes masses d’antimatière et de matière : l’univers visible semble composé presque uniquement de matière.

55Cette constatation semble toutefois difficilement compatible avec le modèle standard. En effet, ce modèle fait jouer un rôle presque symétrique à la matière et à l’antimatière. Dans le cadre de la théorie du Big Bang, matière et antimatière devraient donc avoir été créées en quantités voisines.

56Plusieurs théories, plus riches que le modèle standard, ont été proposées pour briser fortement la symétrie entre matière et antimatière. Elles permettent d’expliquer l’extinction quasi totale de l’antimatière lors des premiers instants de l’Univers, et elles ont pour conséquences deux catégories d’effets testables expérimentalement. La première concerne l’existence de particules qui n’ont pas encore été observées ; elles sont activement recherchées avec les grands accélérateurs. La seconde catégorie d’effets porte sur des particules bien connues, l’électron par exemple. Ces particules devraient avoir une distribution de charge moins simple que celle qu’on leur a attribuée jusqu’ici. En termes imagés, l’électron pourrait ne pas être complètement rond.

  • 13 Pour la description de la mesure la plus précise à ce jour de la rotondité de l’électron, voir l’ar (...)

57Détecter cet effet, appelé techniquement moment dipolaire électrique, est en principe à la portée des expériences de physique atomique. Il devrait être observable en mesurant très précisément le déplacement des niveaux d’énergie d’atomes ou de molécules quand on les place dans un champ électrique13.

58Les expériences de physique atomique jouent dans ce cadre un rôle complémentaire de celles menées en physique des hautes énergies : un phénomène physique essentiel, la possible dissymétrie entre matière et antimatière, peut y signer sa présence de manière ténue, mais incontestable.

Atomes froids et phénomènes collectifs

59Jusqu’ici, nous nous sommes intéressés au comportement d’un atome isolé lorsqu’il est éclairé par un faisceau lumineux. Un autre volet de la recherche sur les atomes froids porte sur l’étude du comportement collectif de ces assemblées de particules. Ce comportement est à l’origine de la « matière quantique » mentionnée en introduction, que nous allons maintenant brièvement présenter.

  • 14 Voir par exemple les conférences Nobel de E. A. Cornell et C. E. Wieman, « Bose-Einstein condensati (...)

60Le passage à un comportement quantique collectif du gaz a été rendu possible grâce à la mise au point d’un second mécanisme de refroidissement, complémentaire des mélasses optiques. Il s’agit du refroidissement par évaporation, dans lequel on élimine les particules qui ont le plus d’énergie pour ne garder que les plus lentes. La combinaison de ces deux refroidissements a permis d’atteindre en 1995 un nouvel état de la matière, le condensat gazeux de Bose-Einstein14. Cet état avait été prédit dans les années 1920 par Einstein, mais était resté hypothétique faute de gaz assez froids pour permettre son observation.

61Le seuil déterminé par Einstein pour l’apparition d’un condensat résulte de la comparaison entre deux échelles de longueur (figure 8). La première est la distance moyenne entre particules, directement reliée à la densité du gaz. La seconde échelle est spécifiquement quantique : c’est la longueur d’onde des ondes de matière associées aux atomes, que nous avons déjà rencontrée. Refroidir les atomes augmente cette longueur d’onde.

Figure 8

Figure 8

À gauche : un gaz chaud et dilué ; la longueur d’onde des ondes de matière est petite devant la distance entre particules. À droite : c’est la situation inverse, pour laquelle les propriétés quantiques de la matière sont fortement marquées.

62Quand le gaz est chaud et dilué, la longueur d’onde est petite devant la distance entre particules. Le comportement du gaz d’atomes est alors voisin de ce que l’on attend pour une assemblée de boules de billards qui s’entrechoquent ; notre fluide est classique, au sens où les effets liés au caractère ondulatoire de la matière sont négligeables.

  • 15 Les particules quantiques, quand elles sont identiques, doivent donc être traitées comme indiscerna (...)
  • 16 Pour une revue des propriétés de cette matière quantique formée à partir de gaz atomiques, on pourr (...)

63En revanche, quand le gaz est refroidi, la longueur d’onde des ondes de matière dépasse la distance entre particules. Les ondes associées aux atomes se recouvrent et se mélangent. Les atomes perdent leur individualité : même avec des appareils de mesure au pouvoir de résolution arbitrairement élevé, il devient impossible de suivre leur trajectoire individuelle15. C’est pour décrire l’ensemble des phases qui peuvent alors apparaître, aux propriétés radicalement différentes de la matière classique que nous rencontrons au quotidien, que l’on utilise l’appellation « matière quantique16 ».

64Donnons deux exemples de cette matière quantique, découverts dans la première moitié du xxe siècle et donc connus bien avant l’arrivée des atomes froids. Le premier est le phénomène de supraconductivité : à très basse température, certains matériaux peuvent conduire l’électricité sans la moindre dissipation. Cette propriété permet par exemple de mettre en lévitation des corps magnétiques sans avoir à apporter en permanence de l’énergie. Le second exemple porte sur la superfluidité de l’hélium liquide, c’est-à-dire le fait que ce liquide peut s’écouler sans la moindre viscosité à travers des microtubes ou remonter par capillarité le long des parois d’un récipient.

65Ces deux phénomènes sont fascinants et de nombreuses équipes travaillant sur les atomes froids se sont attachées, au cours des dix dernières années, à les transposer dans le domaine des gaz dilués. À titre personnel, je voudrais signaler que chacun de ces sujets a été l’occasion de rencontres, liées au Collège de France, extrêmement fructueuses pour moi. Je souhaite d’abord dire ici toute ma gratitude à Philippe Nozières pour son enseignement et ses conseils quand il s’est agi pour notre équipe de comprendre ce qu’était un superfluide. Je tiens également à remercier Antoine Georges qui, à l’occasion d’un travail commun, m’a patiemment expliqué quelques-unes des subtilités des matériaux supraconducteurs. Sur le sujet de la supraconductivité, je voudrais aussi mentionner le nom d’un autre célèbre professeur du Collège de France, Pierre-Gilles de Gennes, dont le nom reste attaché – parmi de multiples autres découvertes – à la modélisation de ces matériaux.

66Intéressons-nous plus particulièrement à la superfluidité : étant l’illustration emblématique des propriétés quantiques de l’hélium liquide, existe-t-elle également pour les gaz d’atomes froids ? La marche à suivre pour aborder cette question n’est pas évidente ; nos gaz d’atomes sont piégés dans des cages de lumières qui ne contiennent pas de microtubes et qui n’ont pas de parois matérielles ; la plupart des diagnostics développés pour la physique de l’hélium liquide ne sont donc plus utilisables. Il en reste néanmoins un, qui consiste à faire tourner le fluide : en effet, un superfluide ne peut pas tourner comme un fluide ordinaire.

67Pour illustrer ce point, considérons d’abord un bol plein d’un liquide ordinaire, que l’on met en rotation avec une cuillère. La surface du liquide s’incurve du fait de la rotation, la vitesse du liquide augmentant avec l’éloignement par rapport au centre. En termes mathématiques, le produit

vitesse*distance au centre

varie continûment depuis la valeur nulle au milieu du bol, jusqu’à une valeur possiblement élevée sur les parois.

68Dans un bol rempli d’un superfluide, le résultat d’une mise en rotation est très différent : la mécanique quantique impose en effet que le produit vitesse*distance ne peut prendre que des valeurs discrètes ; ce résultat est le strict analogue, au niveau macroscopique, de la règle de Bohr qui privilégiait certaines orbites d’un électron tournant autour du noyau atomique.

69Pour respecter le caractère discret de ce produit, le fluide ne peut se mettre en mouvement que par l’intermédiaire de tourbillons quantiques. Quand on augmente la vitesse de rotation, il doit accueillir un, puis deux, puis un nombre de plus en plus grand de tourbillons tous identiques. Chaque nouveau tourbillon correspond à l’augmentation du produit vitesse*distance par une unité. On peut visualiser ces tourbillons car en leur centre, il n’y a pas de matière : la densité du fluide y est nulle.

Figure 9

Figure 9

Tourbillons quantiques dans des condensats de Bose-Einstein en rotation. La vitesse de rotation est faible sur l’image de gauche et augmente de la gauche vers la droite.

Photographie : LKB-CNRS-ENS, 2000.

  • 17 K. W. Madison, F. Chevy, W. Wohlleben et J. Dalibard, « Vortex formation in a stirred Bose-Einstein (...)

70Dans notre équipe, nous avons consacré beaucoup d’efforts à l’observation de ces tourbillons quantiques et à la compréhension de leurs propriétés. Partant d’un condensat de Bose-Einstein au repos, nous l’avons mis en rotation. Pour ce faire, nous n’avons pas utilisé une cuillère matérielle, mais un agitateur formé par un faisceau laser dont la direction dans l’espace varie rapidement. Nos observations, représentées sur la figure 9, ont confirmé le scénario attendu pour un superfluide17 : il existe une fréquence de rotation critique en dessous de laquelle rien ne se passe puis, quand on tourne un peu plus vite, un tourbillon apparaît au centre du condensat, et enfin un réseau de tourbillons se forme quand la vitesse de rotation devient vraiment élevée. Les condensats gazeux sont donc bien superfluides.

  • 18 Z. Hadzibabic, P. Krüger, M. Cheneau, B. Battelier et J. Dalibard, « Berezinskii–Kosterlitz–Thoules (...)

71Nous avons montré récemment que la propriété de superfluidité s’étendait à un gaz d’atomes à deux dimensions. Pour cela, nous avons utilisé la lumière d’un laser pour aplatir notre gaz et le transformer en une feuille de matière extrêmement fine. Nous avons ensuite agité cette feuille avec un autre faisceau lumineux et vérifié qu’elle présentait elle aussi la propriété de superfluidité18.

  • 19 J. M. Kosterlitz et D. J. Thouless, « Ordering, metastability and phase transitions in two-dimensio (...)

72Le fait que cet état superfluide survive au passage de trois à deux dimensions n’était a priori pas évident. On sait en effet depuis les travaux pionniers de Peierls, dans les années 1930-1940, que les phases d’équilibre de la matière dépendent fortement de la dimension de l’espace dans lequel elles sont préparées. Par exemple, si nous vivions dans un monde à deux dimensions, les cristaux ne pourraient pas exister car l’agitation thermique détruirait l’arrangement régulier des réseaux d’atomes. Le fait que la superfluidité soit encore présente dans un gaz bidimensionnel illustre qu’elle est issue d’une transition de phase spéciale, découverte par Kosterlitz et Thouless19 : les gaz planaires, lorsqu’ils deviennent superfluides, acquièrent un ordre plus robuste que celui d’un cristal, ordre qualifié de topologique.

Vers un simulateur quantique

  • 20 Voir par exemple le numéro spécial de Nature Physics d’avril 2012 (vol. 8, no 4), avec les contribu (...)

73Nous avons dégagé au cours de cette leçon plusieurs pistes de recherche liées à la manipulation d’atomes par laser. Nous allons en mentionner encore une autre, très prometteuse, portant sur l’utilisation d’assemblées d’atomes froids comme simulateurs quantiques20.

  • 21 R. P. Feynman, « Simulating physics with computers », International Journal of Theoretical Physics, (...)

74Le prix Nobel de cette année, décerné à Serge Haroche et David Wineland, est venu récompenser des progrès spectaculaires portant sur le contrôle de systèmes quantiques individuels, un atome ou un photon. Le physicien Richard Feynman, dans un texte visionnaire écrit dans les années 1980, a expliqué tout l’intérêt qu’il y aurait à disposer d’un contrôle équivalent pour un grand nombre de particules21. La matière artificielle ainsi produite permettrait d’aborder certaines grandes questions, fondamentales ou pratiques, qui restent pour l’instant sans réponse. Nous en citerons ici deux : en comprenant mieux le phénomène de supraconductivité, peut-on concevoir des matériaux qui transporteront l’électricité sans perte pour les applications de la vie courante ? Par une utilisation judicieuse des concepts quantiques, peut-on réaliser de nouvelles mémoires permettant de stocker beaucoup plus d’information que nos disques durs actuels ?

Figure 10

Figure 10

En haut, l’état d’une mémoire magnétique classique, composée d’une chaîne de spins, se décrit en indiquant l’orientation de chaque moment magnétique. En bas, la version quantique de l’état de la chaîne de spins est la superposition de tous les états possibles.

75Le défi posé par ces systèmes à grand nombre de particules provient de la complexité de leur description dans le cadre de la physique quantique. Pour illustrer cette complexité, considérons une mémoire magnétique composée d’une chaîne de spins, c’est-à-dire des aimants microscopiques pouvant exister dans deux configurations, pôle Nord en haut ou en bas. En physique classique, l’état de cette chaîne se décrit en précisant l’orientation de chacun des spins ; sur le dessin composant la partie supérieure de la figure 10 par exemple, le premier spin pointe vers le haut, le deuxième et le troisième vers le bas, le quatrième et le cinquième vers le haut, etc.

76En physique quantique, un état donné de la chaîne de spins est une superposition de tous les états classiques possibles. Tout comme le chat de Schrödinger est à la fois dans l’état vivant et dans l’état mort, la chaîne de spins est à la fois dans l’état où tous les spins pointent vers le haut, celui où ils pointent tous vers le bas, et encore n’importe quel état classique intermédiaire. Pour une assemblée d’une centaine de particules, la simple écriture de cet état avec ses 2100 coefficients nécessiterait un ordinateur plus gros que tous ceux actuellement opérationnels. Et faire des calculs sur cet état quantique serait encore plus irréaliste…

77La voie proposée par Feynman consiste à simuler plutôt que calculer. Cette démarche n’est pas nouvelle. Du xie au xvie siècle, de nombreuses horloges astronomiques ont été construites : leurs mouvements, réalisés avec une grande précision, permettaient de prédire sans calcul la position des planètes, les phases de la Lune ou encore les éclipses solaires ou lunaires. La simulation qui nous intéresse ici est fondée sur l’universalité de la physique quantique ; deux systèmes a priori différents peuvent être décrits par un formalisme similaire s’ils ont en commun certains paramètres, comme le rapport entre leur énergie d’interaction et leur température. Le système quantique dont on part est bien sûr un gaz d’atomes froids. Grâce à des faisceaux lumineux, on dispose les atomes dans un « paysage » qui simule un autre environnement. Nous avons vu avec le refroidissement Sisyphe qu’une onde lumineuse stationnaire permettait de réaliser un potentiel périodique ; cet environnement est bien adapté à la modélisation du mouvement d’électrons dans un cristal. Il est également possible de réaliser des paysages désordonnés permettant l’étude de la propagation d’ondes dans un milieu aléatoire. En formant un alignement d’une centaine d’atomes, on peut simuler la chaîne de spins décrite plus haut.

78Dans tous les cas, on prépare notre gaz d’atomes froids dans un état initial connu, on le laisse évoluer pendant une durée déterminée, et on mesure son état final. La nature fait le calcul à notre place, et l’universalité de la physique quantique garantit que le résultat obtenu pour nos atomes est également valable pour le système modélisé.

Conclusion

79Les atomes que nous manipulons et observons individuellement n’ont qu’un lointain rapport avec l’objet ultime, insécable, inventé par les philosophes grecs et latins. Néanmoins, comme nous l’avons vu, la physique des atomes et de la lumière peut contribuer à l’élucidation des lois de la nature : une possible dissymétrie entre matière et antimatière, une éventuelle dérive des constantes fondamentales, sont des exemples de ce qu’on peut éventuellement observer en physique atomique, grâce à la précision des mesures que l’on y mène. Les progrès dans la maîtrise de la lumière et de son interaction avec la matière ont également des retombées et des applications dans des domaines aussi variés que les télécommunications, l’analyse d’images ou encore la mesure du temps et de l’espace.

80Le comportement collectif des atomes dans ces gaz froids a ouvert à notre domaine de physique une voie vers l’étude des systèmes complexes. Il s’agit ici d’une complexité sur mesure, dans laquelle on contrôle l’environnement des atomes ainsi que leurs interactions mutuelles. De nombreux ponts sont désormais établis avec la physique de la matière condensée ; les perspectives en sont d’autant plus prometteuses que nos systèmes permettent d’explorer des situations nouvelles, hors de portée des matériaux réels.

81Les liens de notre domaine de recherche avec les disciplines voisines, comme les mathématiques et la chimie, sont également bien concrets. Les mathématiciens trouvent dans les équations non linéaires qui régissent le comportement de ces gaz un nouveau champ d’application pour des outils développés dans d’autres contextes. Les chimistes tirent parti de l’observation en temps réel de la formation de petits édifices moléculaires à deux, trois, quatre corps dans un régime inédit de température et de densité pour donner un nouvel éclairage à la notion de dynamique réactionnelle.

82Chacun dans notre domaine perçoit donc les très grandes promesses de ce champ de recherche. Un frein possible à leur réalisation est la difficulté à établir un langage commun, à recenser les questions ouvertes. Mon souhait est que cette chaire contribue à lever ce frein, et qu’elle soit un point de rencontre entre toutes ces communautés.

83Autant que l’élaboration d’un programme, une première leçon dessine un bilan personnel. Ce bilan me montre tout ce que je dois à de nombreuses personnes et je voudrais terminer cet exposé en leur témoignant, très brièvement, de manière individuelle ou collective, toute ma gratitude.

84J’ai déjà dit combien je suis reconnaissant envers Claude Cohen-Tannoudji pour la façon avec laquelle il a guidé mes premiers pas dans la recherche. J’ai découvert la physique expérimentale grâce à Alain Aspect et à Bill Phillips, qui m’ont chacun accueilli dans leur laboratoire. Christophe Salomon m’a prodigué ses conseils de manière quasi quotidienne pendant de nombreuses années. Claude, Alain, Bill et Christophe, sachez combien nos discussions ont été importantes pour moi, tant sur le plan de la physique pure que sur celui de l’éthique scientifique.

85En des temps plus lointains, j’ai eu la chance d’avoir des professeurs de lycée qui m’ont véritablement donné le goût des sciences. Deux d’entre eux, Nicole Tuffreau et Eusèbe Redondo, m’ont fait l’amitié de venir assister à cette leçon, échangeant ainsi nos rôles à quarante ans d’intervalle...

86L’enseignement a été pour moi un facteur essentiel d’équilibre. Étant chercheur au CNRS, j’ai eu la chance que cet enseignement garde un volume raisonnable et ne freine pas ma recherche, bien au contraire. Je voudrais saluer ici tous ceux qui m’ont accompagné dans ces différents cours, en particulier Jean-Louis Basdevant, qui m’a guidé avec patience et bienveillance dans la maison polytechnicienne, et qui m’a initié aux plaisirs de ses grands amphis.

87Notre équipe au laboratoire Kastler-Brossel regroupe depuis plus de vingt ans des jeunes enseignants-chercheurs, des étudiants et des post-doctorants d’une motivation exceptionnelle. Je ne peux pas les citer tous ici, mais je tiens à ce qu’ils sachent combien je leur suis redevable pour leur détermination et leur esprit d’initiative.

88Ces expériences d’atomes froids sont d’une grande technicité. Si les concepts s’expliquent relativement simplement, leur mise en œuvre nécessite des appareillages compliqués. Les services techniques, mécaniques, électroniques et informatiques, jouent un rôle crucial dans ce développement. Je les remercie de leur aide, tout comme les services administratifs, qui font vivre nos équipes, au sens propre comme au figuré.

89Enfin, avec le démarrage de cette chaire, notre équipe va s’installer d’ici quelques mois dans les nouveaux locaux du bâtiment de physique du Collège. Ce nouvel espace de recherche nous ouvre des possibilités inédites, et je voudrais dire ici toute ma reconnaissance à ceux qui ont permis à ce grand chantier de se réaliser, et en particulier à Jacques Glowinski, son infatigable chef d’orchestre.

Notes

1 Johannes Kepler, De cometis libelli tres. I. Astronomicus… II. Physicus… III. Astrologicus…, Augustae Vindelicorum, Augsbourg, 1619 ; traduction de H. Flaugergues dans le Journal de physique, de chimie et d’histoire naturelle, tome LXXXV, septembre 1817, p. 193-216.

2 Nicolas Hartsoeker, Principes de physique, publié à Paris chez Jean Anisson, directeur de l’Imprimerie royale, 1696.

3 Pour en savoir plus sur la démarche de Niels Bohr, on pourra consulter l’ouvrage de Max Jammer, The Conceptual Development of Quantum Mechanics, New York, McGraw-Hill, 1966.

4 A. Kastler, « Quelques suggestions concernant la production optique et la détection optique d’une inégalité de population des niveaux de quantification spatiale des atomes. Application à l'expérience de Stern et Gerlach et à la résonance magnétique », Journal de physique et le radium, vol. 11, no 6, 1950, p. 255-265, doi : 10.1051/jphysrad:01950001106025500 ; J. Brossel, A. Kastler et J. Winter, « Création optique d’une inégalité de population entre les sous-niveaux Zeeman de l’état fondamental des atomes », Journal de physique et le radium, vol. 13, no 12, 1952, p. 668, doi : 10.1051/jphysrad:019520013012066800.

5 C. Cohen-Tannoudji, « Observation d’un déplacement de raie de résonance magnétique causé par l’excitation optique », Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences, tome 252, 1961, p. 394-396.

6 J. Dalibard et C. Cohen-Tannoudji, « Dressed-atom approach to atomic motion in laser light: the dipole force revisited », Journal of the Optical Society of America B, vol. 2, no 11, 1985, p. 1707-1720, doi : 10.1364/JOSAB.2.001707 ; « Laser cooling below the Doppler limit by polarization gradients: simple theoretical models », vol. 6, no 11, 1989, p. 2023-2045, doi : 10.1364/JOSAB.6.002023.

7 Voir par exemple les conférences Nobel : S. Chu, « The manipulation of neutral particles », Reviews of Modern Physics, vol. 70, no 3, 1998, p. 685-706, doi : 10.1103/RevModPhys.70.685 ; C. Cohen-Tannoudji, « Manipulating atoms with photons », Reviews of Modern Physics, vol. 70, no 3, 1998, p. 707-719, doi : 10.1103/RevModPhys.70.707 ; W. D. Phillips, « Laser cooling and trapping of neutral atoms », Reviews of Modern Physics, vol. 70, no 3, 1998, p. 721-741, doi : 10.1103/RevModPhys.70.721.

8 A. Clairon, C. Salomon, S. Guellati et W. D. Phillips, « Ramsey resonance in a Zacharias fountain », Europhysics Letters, vol. 16, no 2, 1991, p. 165-170, doi : 10.1209/0295-5075/16/2/008.

9 C. Salomon, N. Dimarcq, M. Abgrall, A. Clairon, P. Laurent et al., « Cold atoms in space and atomic clocks: ACES », Comptes rendus de l’Académie des sciences (Paris), série IV (Physique), vol. 2, no 9, 2001, p. 1313-1330, doi : 10.1016/S1296-2147(01)01274-4.

10 J. C. Berengut et V. V. Flambaum, « Astronomical and laboratory searches for space-time variation of fundamental constants », Journal of Physics: Conference Series, vol. 264 [Proceedings of the 22nd International Conference on Atomic Physics, 25-30 juillet 2010; Cairns, Australia], 2011, doi : 10.1088/1742-6596/264/1/012010.

11 Pour un panorama récent sur les interféromètres à ondes de matière, on pourra consulter l’article de A. D. Cronin, J. Schmiedmayer et D. E. Pritchard, « Optics and interferometry with atoms and molecules », Reviews of Modern Physics, vol. 81, no 3, 2009, p. 1051-1129, doi : 10.1103/RevModPhys.81.1051.

12 Pour un exposé introductif, voir par exemple l’article de J. Iliopoulos, « Le modèle standard : théorie géométrique des interactions fondamentales », Images de la physique, 2005, p. 64-72.

13 Pour la description de la mesure la plus précise à ce jour de la rotondité de l’électron, voir l’article de J. J. Hudson, D. M. Kara, I. J. Smallman, B. E. Sauer, M. R. Tarbutt et E. A. Hinds, « Improved measurement of the shape of the electron », Nature, vol. 473, 2011, p. 493-496, doi : 10.1038/nature10104.

14 Voir par exemple les conférences Nobel de E. A. Cornell et C. E. Wieman, « Bose-Einstein condensation in a dilute gas, the first 70 years and some recent experiments », Reviews of Modern Physics, vol. 74, no 3, 2002, p. 875-893, doi : 10.1103/RevModPhys.74.875 ; W. Ketterle, « When atoms behave as waves: Bose-Einstein condensation and the atom laser », Reviews of Modern Physics, vol. 74, no 4, 2002, p. 1131-1151, doi : 10.1103/RevModPhys.74.1131.

15 Les particules quantiques, quand elles sont identiques, doivent donc être traitées comme indiscernables. Ceci conduit à les classer en deux catégories : les bosons, pour lesquels la probabilité d’avoir plusieurs particules dans le même état individuel est augmentée par rapport au cas de particules discernables, et les fermions, pour lesquels un état quantique individuel est occupé par, au plus, une particule. La condensation de Bose-Einstein concerne les bosons, mais les fermions donnent eux aussi naissance à une matière quantique spectaculaire ; la supraconductivité en est un exemple.

16 Pour une revue des propriétés de cette matière quantique formée à partir de gaz atomiques, on pourra consulter par exemple : I. Bloch, J. Dalibard et W. Zwerger, « Many-body physics with ultracold gases », Reviews of Modern Physics, vol. 80, no 3, 2008, p. 885-964, doi : 10.1103/RevModPhys.80.885.

17 K. W. Madison, F. Chevy, W. Wohlleben et J. Dalibard, « Vortex formation in a stirred Bose-Einstein condensate », Physical Review Letters, vol. 84, no 5, 2000, p. 806-809, doi : 10.1103/PhysRevLett.84.806.

18 Z. Hadzibabic, P. Krüger, M. Cheneau, B. Battelier et J. Dalibard, « Berezinskii–Kosterlitz–Thouless crossover in a trapped atomic gas », Nature, vol. 441, 2006, p. 1118-1121, doi : 10.1038/nature04851 ; R. Desbuquois, L. Chomaz, T. Yefsah, J. Léonard, J. Beugnon, C. Weitenberg et J. Dalibard, « Superfluid behaviour of a two-dimensional Bose gas », Nature Physics, vol. 8, no 9, 2012, p. 645-648, doi : 10.1038/nphys2378.

19 J. M. Kosterlitz et D. J. Thouless, « Ordering, metastability and phase transitions in two-dimensional systems », Journal of Physics C: Solid State Physics, vol. 6, no 7, 1973, p. 1181-1203, doi : 10.1088/0022-3719/6/7/010.

20 Voir par exemple le numéro spécial de Nature Physics d’avril 2012 (vol. 8, no 4), avec les contributions de J. I. Cirac et P. Zoller, « Goals and opportunities in quantum simulation » (p. 264-266, doi : 10.1038/nphys2275) ; I. Bloch, J. Dalibard et S. Nascimbène, « Quantum simulations with ultracold quantum gases » (p. 267-276, doi : 10.1038/nphys2259) ; R. Blatt et C. F. Roos, « Quantum simulations with trapped ions » (p. 277-284, doi : 10.1038/nphys2252). Bien que les atomes soient neutres, cette simulation peut s’étendre aux systèmes de particules chargées, grâce à la production de potentiels de jauge artificiels ; voir par exemple J. Dalibard, F. Gerbier, G. Juzeliūnas et P. Öhberg, « Colloquium: Artificial gauge potentials for neutral atoms », Reviews of Modern Physics, vol. 83, no 4, 2011, p. 1523-1543, doi : 10.1103/RevModPhys.83.1523.

21 R. P. Feynman, « Simulating physics with computers », International Journal of Theoretical Physics, vol. 21, no 6-7, 1982, p. 467-488, doi : 10.1007/BF02650179.

Table des illustrations

Titre Figure 1
Légende Processus d’absorption par un atome. À gauche, un photon d’énergie E3E1 arrive sur un atome préparé dans son état fondamental, d’énergie E1. À droite, l’atome a absorbé le photon et il est passé dans l’état d’énergie E3.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/3308/img-1.png
Fichier image/png, 17k
Titre Figure 2
Légende Principe du pompage optique. En haut, une assemblée de six atomes est répartie aléatoirement sur les états d’énergie E1 et E2. En bas, après avoir éclairé les atomes avec des photons d’énergie E3E2, on a accumulé tous les atomes dans l’état d’énergie E1 : le désordre initial a été supprimé.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/3308/img-2.png
Fichier image/png, 23k
Titre Figure 3
Légende Principe du refroidissement Sisyphe. Dans une onde lumineuse stationnaire, les niveaux d’énergie sont modulés dans l’espace. Il existe des configurations telles que l’atome monte sans cesse des collines de potentiel, le pompage optique le plaçant au fond d’une vallée dès qu’il atteint un sommet. Quand son énergie devient trop faible, l’atome est piégé au fond d’un puits de potentiel.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/3308/img-3.png
Fichier image/png, 44k
Titre Figure 4
Légende Échelle de températures (logarithmique). Les gaz d’atomes froids correspondent aux températures cinétiques les plus basses jamais mesurées.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/3308/img-4.png
Fichier image/png, 18k
Titre Figure 5
Légende Image d’une mélasse optique de sodium contenant quelques millions d’atomes de sodium à l’intersection de trois paires de faisceaux lasers.
Crédits Photographie : W. D. Phillips, NIST, 1987.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/3308/img-5.png
Fichier image/png, 103k
Titre Figure 6
Légende Schéma de principe d’une horloge atomique.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/3308/img-6.png
Fichier image/png, 42k
Titre Figure 7
Légende Principe d’un interféromètre à ondes de matière à deux voies (trous de Young).
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/3308/img-7.png
Fichier image/png, 56k
Titre Figure 8
Légende À gauche : un gaz chaud et dilué ; la longueur d’onde des ondes de matière est petite devant la distance entre particules. À droite : c’est la situation inverse, pour laquelle les propriétés quantiques de la matière sont fortement marquées.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/3308/img-8.png
Fichier image/png, 75k
Titre Figure 9
Légende Tourbillons quantiques dans des condensats de Bose-Einstein en rotation. La vitesse de rotation est faible sur l’image de gauche et augmente de la gauche vers la droite.
Crédits Photographie : LKB-CNRS-ENS, 2000.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/3308/img-9.png
Fichier image/png, 330k
Titre Figure 10
Légende En haut, l’état d’une mémoire magnétique classique, composée d’une chaîne de spins, se décrit en indiquant l’orientation de chaque moment magnétique. En bas, la version quantique de l’état de la chaîne de spins est la superposition de tous les états possibles.
URL http://books.openedition.org/cdf/docannexe/image/3308/img-10.png
Fichier image/png, 62k

Auteur

Professeur au Collège de France, chaire Atomes et rayonnement

© Collège de France, 2013

Conditions d’utilisation : http://www.openedition.org/6540