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Page modifiée le vendredi 05 février 2016

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Une nouvelle phase de la matière apparaît lorsqu’un gaz constitué d’atomes est refroidi en-dessous d’une température critique. Il se produit alors un phénomène appelé condensation de Bose-Einstein ; au cours de cette transition de phase, un système de taille macroscopique est créé dont les propriétés sont dictées par la physique quantique. Nous réalisons des expériences pour étudier ces gaz quantiques avec un intérêt particulier porté à leurs propriétés magnétiques.


Création de gaz ultra-froids

En utilisant l’action de lasers sur certains atomes en phase gazeuse, il est possible de les refroidir jusqu’à des températures extrêmement proches du zéro absolu (typiquement inférieures à 100 µK). Ce refroidissement étant opéré sous vide sur des échantillons très dilués, le système reste en phase gazeuse. En combinant des faisceaux lasers et un champ magnétique, on peut piéger ces atomes froids. A ce stade, on obtient déjà un système remarquable formé d’atomes qui se déplacent à des vitesses très faibles (de l’ordre du cm/s au lieu des quelques 100 m/s des mêmes atomes à température ambiante). De plus, ces atomes sont localisés dans un volume inférieur au millimètre cube. Il en résulte que leurs propriétés peuvent être étudi&eacus et utilisées avec une précision accrue. Ceci a permis l’amélioration des performances des horloges atomiques qui servent à définir le temps universel et impacte sur la précision du GPS. Des applications aux mesures inertielles ont également vu le jour.


La condensation de Bose-Einstein

Au cours du siècle passé, la quête des basses températures a toujours mené à des découvertes fondamentales parmi lesquelles la superfluidité et la supraconductivité sont les plus connues. Dans le domaine de la physique atomique, partant des gaz d’atomes froids piégés, il est possible d’abaisser la température de trois nouveaux ordres de grandeur jusqu’à environ 100 nano-Kelvin, par des techniques dites d’évaporation (élimination sélective des atomes les plus chauds). Lorsqu’on atteint la température critique de la transition de Bose-Einstein, il se produit quelque chose de remarquable que seule la physique quantique permet de décrire : tous les atomes s’accumulent dans l’état de plus basse énergie du système. L’échantillon n’est plus « seulement » un gaz avec une agitathermique modérée, il devient un objet quantique de dimension macroscopique. En extrayant les atomes condensés de leur piège, on obtient un laser à atomes. Ce type nouveau de source atomique cohérente est-il appelé à rencontrer le même succès que son homologue lumineux, le laser ? L’avenir nous le dira !


Etude du magnétisme quantique

Notre équipe a mis en place un dispositif expérimental qui produit des gaz quantiques d’atomes de chrome. Ces atomes possèdent des propriétés originales du fait de la valeur élevée de leur moment magnétique. Le transfert des condensats de chrome dans des réseaux lumineux (figure d’interférences de faisceaux lasers optiques) permet de réaliser des systèmes remarquables par leur pureté et par la possibilité d’ajuster leurs paramètres (température, densité, interactions, forme des potentiels de piégeage, …). Ces systèmes miment les propriétés de systèmes complexes rencontrés en physique de la matière condensée en particulier dans le domaine du magnétisme. L'étude des gaz atomiques ultra-froids est un champ de recherche fascinant et interdisciplinaire. Nous construisons une elle expérience visant à produire des gaz quantiques d’atomes de strontium afin de créer et étudier de nouveaux matériaux magnétiques aux propriétés « exotiques ».


Références

B. Naylor et al., Phys. Rev. Lett., 115, 243002 (2015).
A. de Paz et al., Phys. Rev. Lett., 111, 185305 (2013).

Fig 1 : Vue partielle du montage « Chrome-BEC » ; les faisceaux verts réalisent les réseaux optiques qui piègent les atomes

Fig 1 : Vue partielle du montage « Chrome–BEC » ; les faisceaux verts réalisent les réseaux optiques qui piègent les atomes.

Fig 2 : formation du condensat de Bose-Einstein de chrome par évaporation «tout-optique»

Fig 2 : formation du condensat de Bose-Einstein de chrome par évaporation «tout-optique»


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