Hot Topics in Cold Atoms Jacques Tempère TFVS, Departement de physique, UA La recherche théorique sur les atomes froids à l’université d’Anvers se fait en collaboration avec evreese prof.Brosens prof.Lemmens dr.Wouters
Hot Topics in Cold Atoms
Jacques TempèreTFVS, Departement de physique, UA
La recherche théorique sur les atomes froidsà l’université d’Anvers se fait en collaboration avec
prof.Devreese prof.Brosens prof.Lemmens dr.Wouters dr. Klimin
Introduction : les gaz froids
1905 : “Annus mirabilis” de Einstein
2005 : Année mondiale de la physique
http://www.aip.org/history/einstein/
http://www.einstein-website.de/z_kids/print/p_certificatekids.htmlTentoonstelling : “... de rest zijn details”, Einstein 1905-2005, KU Leuven, 2 maart - 8 april 2005
Deutsch 5Französisch 3Englisch -Italienisch 5Geschichte 6Geographie 4Algebra 6Geometrie 6Darstellende Geometrie 6Physik 6Chemie 5Naturgeschichte 5Kunstzeichnen 4Technisches Zeichnen 4
Le 20 août 2005 un étudianttrouve un manuscrit d’Einstein à Leyde
Théorie atomique du mouvement Brownien
A. Einstein, Annalen der Physik 17, 549 (1905)
Théorie quantique des gaz mono-atomiques
A. Einstein, Sitzungber. Preuss. Akad. Wiss. 925, 3 (1925).
Points de vue microscopiques des vapeurs atomiques
Condensation sans interactions
Das Pauli-verbot
p . x > ħ
Théorie cinétique des gaz
dualité onde-corpuscule
1/ Refroidissements records!
1000 K
100 K
10 K
1 K
0.1 K
0.01 K
1 mK
0.1 mK
0.01 mK
1 K
1 nK
0.1 K
0.01 K
Glace: 273 K azote liquide: 77 K
1000 K
100 K
10 K
1 K
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0.01 K
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0.1 mK
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1 K
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0.1 K
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Hélium liquide: 4 K
1000 K
100 K
10 K
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0.01 K
1 mK
0.1 mK
0.01 mK
1 K
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0.1 K
0.01 K
Refroidissement d’atomes par laser
Chu, Cohen-Tannoudji et Phillipsont reçu le prix Nobel de physique en 1996 pour le ralentissement des atomes à l'aide de laser.
laserlicht
10-100 microkelvin = 0.00001 - 0.0001 K
demo
Un faisceau d’atomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). Lafréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons.
lumière laserfaisceau d’atomes
Atomes et lumière : l’emploi de l’effet doppler dans le refroidissement
lumière laserfaisceau d’atomes
Un faisceau d’atomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). Lafréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons.
Atomes et lumière : l’emploi de l’effet doppler dans le refroidissement
lumière laserfaisceau d’atomes
Un faisceau d’atomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). Lafréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons.
Atomes et lumière : l’emploi de l’effet doppler dans le refroidissement
lumière laserfaisceau d’atomes
Un faisceau d’atomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). Lafréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons.
Atomes et lumière : l’emploi de l’effet doppler dans le refroidissement
lumière laserfaisceau d’atomes
Un faisceau d’atomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). Lafréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons.
Atomes et lumière : l’emploi de l’effet doppler dans le refroidissement
lumière laserfaisceau d’atomes
Un faisceau d’atomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). Lafréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons.
Atomes et lumière : l’emploi de l’effet doppler dans le refroidissement
lumière laserfaisceau d’atomes
Un faisceau d’atomes entre en collision avec les particules de lumière (photons). Lafréquence est telle que seulement les atomes rapides absorbent les photons.
Atomes et lumière : l’emploi de l’effet doppler dans le refroidissement
1000 K
100 K
10 K
1 K
0.1 K
0.01 K
1 mK
0.1 mK
0.01 mK
1 K
1 nK
0.1 K
0.01 K
Comment sauvegarder les atomes froids? À une temperature de100 microkelvin il est impossible de renfermer les atomes dans un dewar: cette bouteille isolante est beaucoup plus chaude que les atomes…
on aura besoin d’un piège magnétique
1000 K
100 K
10 K
1 K
0.1 K
0.01 K
1 mK
0.1 mK
0.01 mK
1 K
1 nK
0.1 K
0.01 K
demo
Le piégeage magnéto-optique:
1000 K
100 K
10 K
1 K
0.1 K
0.01 K
1 mK
0.1 mK
0.01 mK
1 K
1 nK
0.1 K
0.01 K
L’étape finale: le refroidissement par évaporation
Il faut extraire les atomes les plus énergétiques. Le reste aura, en moyenne, moins d’energie ce qui correspond à une température plus basse.
`Le record : 500 pK
1000 K
100 K
10 K
1 K
0.1 K
0.01 K
1 mK
0.1 mK
0.01 mK
1 K
1 nK
0.1 K
0.01 K
L’endroit le plus froid de l’univers: Boston, U.S.A.Terre, système solairegalaxie: voie lactéeVirgo Cluster
1000 K
100 K
10 K
1 K
0.1 K
0.01 K
1 mK
0.1 mK
0.01 mK
1 K
1 nK
0.1 K
0.01 K
Helsinki, FinlandeTerre, système solairegalaxie: voie lactéeVirgo Cluster
0.1 nK 100 picokelvin: la nouvelle frontière du froid
Points de vue microscopiques des vapeurs atomiques
Condensation sans interactions
Das Pauli-verbot
p . x > ħ
Théorie cinétique des gaz
2/ Les bosons
S.N. Bose et les autres Bosons
© Falguni Salkar
L’observation d’un condensat de Bose-Einstein en 1995
EricCornell
Carl Wieman
JILA, Boulder, Colorado: Rubidium
Wolfgang KetterleMIT, Boston: Sodium
vs.
Les Nord-Coréens imitent chaque année les atomes dans un condensat
des gens dans un centre commercialse comportent comme un gaz chaud
Le condensat de Bose-Einstein
Un état cohérent dans lequel tous les atomes se trouvent dans le même état quantique: les lois ‘microscopiques’ deviennent applicables pour une collection macroscopique d’atomes.
cf. le laser atomique
Théorie: Expérience:
M. R. Andrews et al., Science 275, 637 (1997).
Interférence
J.Tempere, J.T.Devreese, Solid State Comm. 108, 993 (1998).
phase de la fonction d’onde du condensat
Des raies parallèles apparaissent,comme dans l’expérience:
Andrews et al., Science 275, 637 (1997).
La figure d’interférence est due à la nature ondulatoire du condensat
ENS, Paris, France
MIT, Cambridge MA, USA
JILA, Boulder CO
Condensat en rotation et vortex
Ralentir la lumière
3/ Les fermions
Bon. Qui a pris deux chocolats?
Les Fermions
source: D. Jin, Physics World, April 2002.B. DeMarco and D.S. Jin, Science 285, 1703 (1999).
Gaz de fermions dégénéré
Un condensat d’atomes fermioniques?
longueur de diffusion=(1-10 nm)(distance inter-
atomique)-1 = (0.1 m) -1
Tc < 0.01 TF
Le meilleur refroidissement de fermions2 nous donne 0.1 TF ...
Quand deux atomes fermioniques s’attirent,
ils peuvent former une ‘molécule’ bosonique
(example: les paires de Cooper). La théorie de
la supraconductivité établit la température
critique:
1 H. Heiselberg, C.J. Pethick, H. Smith and L. Viverit, Phys. Rev. Lett. 85, 2418 (2000).2 M. Wouters, J. Tempere, J. T. Devreese, Phys. Rev. A 66, 043414 (2002).
( a<0 pour attraction )
Changer Tc
“Si Moïse ne vient pas jusqu’à la montagne,la montagne viendra à Moïse.”
Il n’est pas évident d’augmenter Tc dans les supraconducteurs, et les Sumosont encore besoin d’azote liquide pourleurs lévitations.
Pour les atomes ultrafroids, il est possible d’augmenter la longueur de diffusion et donc Tc.
La résonance de Feshbach
E. Tiesinga, B. J.Verhaar, and H.T.C. Stoof, Phys. Rev. A 47, 4114 (1993).R.A. Duine and H.T.C. Stoof, Atom-molecule coherence in Bose gases, Phys. Rep. 396, 115-195 (2004).
in a 85Rb gas: Bpeak = 155.041 G, = 10.709 G, abg = 443 a0
attraction
gaz ideal ?
repulsion
attraction forteaugmentation de Tc
molecule bosoniqueEbind ħ2/(ma2)
F. A. van Abeelen, D. J. Heinzen, and B. J. Verhaar, Phys. Rev. A 57, R4102 (1998).S. L. Cornish, N. R. Claussen, J. L. Roberts, E. A. Cornell, C. E. Wieman, Phys. Rev. Lett. 85, 1795-1798 (2000).
champ magnétique
long
ueur
de
diff
usio
n (g
rand
eur
de l’
inte
ract
ion
atom
ique
)
Les deux limites possible pourun condensat fermionique
from S.Inouye et al.;Nature 392, 151 (‘98).
condensat de Bose-Einstein de molecules
État BCS de paires de Cooper
dancing people images © M. Greiner
condensat de Bose-Einstein de molecules
BEC 1995BEC 1995condensation dans un gaz condensation dans un gaz
fermionique 2003fermionique 2003
from S.Inouye et al.;Nature 392, 151 (‘98).
M.W. Zwierlein et al., Phys. Rev. Lett. 91, 250401 (2003).
Nature, 23 June 2005 : Observation de vortex dans le régime BEC/BCS par le laboratoire de Ketterle démontre la superfluidité descondensats fermioniques
M. W. Zwierlein, J. R. Abo-Shaeer, A. Schirotzek, C. H. Schunck and W. Ketterle,Nature 435, 1047-1051 (23 June 2005).
4/ au-delà des supraconducteurs solides
• La température critique est réglable• Le géometrie du piègeage, et la dimensionalité est réglable• Le nombre d’atomes de chaque spin est réglable
spin-up spin-down spin-up spin-down
formationde paires
et moi?T < Tc
condensatde paires
Y. Chin et al., Phys. Rev. Lett. 97, 030401 (2006);M. Zwierlein et al. Science 311, 492 (2006);G. B. Partridge et al., Science 311, 503 (2006).
TFVS
resultat théoriques:
Clogston (1962) – Un déséquilibre supérieur a EF> détruit la supraconductivité(“limite de clogston”)
EF
E
Sarma (1963) – la supraconductivité réapparait pour une temperature T>0: uncondensat équilibré + les excitations thermiques spin-polarisés.
Fulde,Ferell & Larkin,Ovchinnikov (1964) – des paires de Cooper avecimpulsion (de centre de masse) 0
k0
Gaz Fermioniques avec déséquilibre de spins : La théorie
TFVS
100% 90% 80% 62% 28% 18% 10% 0%
noyau superfluideéquilibré
couche de gaz en état normal,aved déséquilibre de spins
BEC
BCS
100% 74% 58% 48% 32% 16% 7% 0%
“Fermionic Superfluidity with Imbalanced Spin Populations and the Quantum Phase Transition to theNormal State”, Martin W. Zwierlein, André Schirotzek, Christian H. Schunck, Wolfgang Ketterle,cond-mat/0511197
Gaz Fermioniques avec déséquilibre de spins : L’expérience
TFVSGaz Fermioniques avec déséquilibre de spins
Y. Chin et al., Phys. Rev. Lett. 97, 030401 (2006)
G. B. Partridge et al., Science 311, 503 (2006).
il y a un superfluide
polariséDen
siti
es
Radial position
le superfluide n’est pas polarisé
La description des superfluides déséquilibrés necessite une théoriequi va au-delà de la theorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer
TFVSDescription aves des intégrales de chemins
J.Tempere, S.N.Klimin, J.T.Devreese, submitted to Phys.Rev.J.Tempere, M.Wouters, J.T. Devreese, Phys. Rev. B 75, 184526 (2007)
TFVSDescription aves des intégrales de chemins
Tem
pera
ture
/TF
déséquilibre n/n
force de l’interaction interatomique (1
/k Fa s)
phase superfluide
phase normale
séparation des phases
TFVSSommaire
Depuis 1995, on a accès au régime quantique dans les gaz ultrafroids dilués
Les gaz quantiques se révèlent un véritable laboratoire de mécanique quantique: ils permettent de produire des réalisations idéalisées de modèles quantiques
Interactions, géométrie, et composition sont réglables avec une grande précision: non seulement peut-on réaliser les paradigmes de la mechanique quantique, mais il est également possible de porter ces systèmes dans des régimes et conditions jadis inaccessibles.