Approche sensible du monde quantique - Le regard meurtrier - Adrien Facon Laboratoire Kastler Brossel Collège de France afacon@lkb.ens.fr Cours Physique pour non-physiciens ENS Ulm 17 décembre 2014 Sources : Cours Collège de France de Serge Haroche ; Cours Ecole Polytechnique de Jean Dalibard
Les «deux petits nuages» de Lord Kelvin 27 avril 1900, Lord Kelvin : «La connaissance en physique est semblable à un grand ciel bleu, à l horizon duquel subsistent seulement deux petits nuages...»
Le rayonnement du corps noir «Scandale» d une courbe en cloche décrivant un phénomène très simple, inexplicable par la physique classique : la distribution spectrale du rayonnement thermique = lumière émise par un corps matériel, en équilibre thermique à la température T
«Naissance» du photon - Puissance d une analogie - Quantification des «échanges d énergie» Analogie avec une autre courbe en cloche distribution des vitesses des molécules dans un gaz Planck (1900) Einstein (1905) E n h h 6.63 10 34 J.s fréquence de l'onde n un nombre entier E quantum h h 6.63 10 34 J.s fréquence de l'onde Explicitant Planck, Einstein comprend que la lumière, comme un gaz, est constituée d un ensemble de particules. La lumière possède des propriétés quantiques et son quantum de rayonnement sera baptisé «photon» par Lewis en 1926!
Dualisme onde-corpuscule - Expérience des fentes d Young (1804) - Einstein : Expérience compatible avec la notion de «photon»?? Photons individuels Chaque photon se comporte-t-il comme une boule de billard?
Dualisme onde-corpuscule - Expérience des fentes d Young à un photon - Grangier (1986), Roch (2005)
Dualisme onde-corpuscule Comment les photons arrivent-ils seulement sur les franges brillantes s ils passent un à un par une fente ou l autre? Comment apparaissent-ils comme des points s ils sont des ondes? Particules Ondes (D. Hofstadter)
Principe de superposition - Expérience des fentes d Young - Comment les photons arrivent-ils seulement sur les franges brillantes s ils passent un à un par une fente ou l autre? Comment apparaissent-ils comme des points s ils sont des ondes? Chaque photon doit passer par les deux trous à la fois! Conséquences : - Abandon de la notion classique de trajectoire. - Principe de superposition.
Principe de superposition - Expérience des fentes d Young - Expérience de pensée : Test de Complémentarité Einstein et Bohr à Solvay (1927) Idée maîtresse : L intrication (entre particule et la fente) tue les interférences
Peut-on savoir par quelle fente est passée la particule? - Principe de complémentarité - Expérience de pensée : Test de Complémentarité Einstein et Bohr à Solvay (1927) Idée maîtresse : L intrication (entre particule et la fente) tue les interférences
Les ondes de De Bloglie - Ondes de matières - Louis De Broglie (1923) A toute particule matérielle de masse m et d impulsion p mv, on peut associer une onde de longueur d onde : h p Einstein à Langevin : «Le travail de Louis de Broglie m a grandement impressionné. Il a soulevé un coin du grand voile [...] Si vous le voyez, veuillez lui témoigner toute mon estime et ma sympathie.»
Utilisation des ondes de De Bloglie - Microscopie électronique - Le pouvoir de résolution d un microscope est limité par la longueur d onde qu on utilise Microscopie optique : En lumière visible, Microscope optique limité à une fraction de micromètre Microscopie électronique : Détails beaucoup plus fins 380 nm ; 800nm S. Borensztajn, CNRS
Structure de la matière - Spectroscopie atomique - Atome hydrogenoïde : Noyau + 1 e - Condition de «quantification» : L onde «retombe sur elle-même» après un tour n db 2 r orbite Atome de Bohr (1913) : Quantification des niveaux d énergie
Résumé intermédiaire - Lumière et matière - 1 ) La lumière et la matière sont régies par le dualisme onde-corpuscule : - A la fois, onde et une particule : D.Hofstadter, For the Love of Line and Pattern, p. 30 2 ) Le principe de superposition, qui énonce que si un système quantique peut se trouver dans un état A ou dans un état B, alors toute combinaison linéaire des états A et B est aussi un état possible s applique aussi bien à la lumière qu à la matière.
Une autre expérience de pensée - Le Chat de Schrödinger - Une fable imaginée par Schrödinger et Einstein afin de mettre à mal le principe de superposition : Un gros système couplé à un seul atome finit dans une étrange superposition Cette fable mène en fait à la notion d intrication quantique et ouvre une réflexion sur la limite classique/quantique.
Une Introduction à la Mécanique Quantique III. Le monde quantique, où donc?
Le monde quantique - Où çà? - - La physique quantique couvre plus de 60 ordres de grandeur! 10-35 m 10-15 m 10-10 m 10-8 m 10-3 m 10 m 10 +8 m 10 +10 m 10 +26 m Supercordes Noyaux, radioactivité Energie nucléaire Atomes Monde macroscopique Planètes, étoiles Galaxies Molécules biologiques - Elle permet une description unifiée des interactions électromagnétique, faible et forte dans un même cadre. Manque la gravitation - La théorie la plus précise et la mieux vérifiée : Moment magnétique de l électron en électrodynamique quantique théorie expérience
Le monde quantique - Où çà? - Au fondement des technologie modernes : transistors et ordinateurs, lasers, horloges atomiques et GPS, réseau Internet par fibres optiques, matériaux supraconducteurs Le principe du laser remonte aux travaux d Einstein sur l émission stimulée en 1917. Il a révolutionné notre façon de stocker et transporter l information. Les horloges atomiques sont au cœur du système GPS - dérive d une seconde sur 10 millions d années - Repérage à quelques mètres près sur la surface du globe
Le monde quantique - Où çà? - Au fondement des technologie modernes : transistors et ordinateurs, lasers, horloges atomiques et GPS, réseau Internet par fibres optiques, matériaux supraconducteurs En physique du solide, la compréhension des semi-conducteurs a conduit au transistor, puis aux circuits intégrés. La magnéto-résistance géante est un effet quantique (Nobel 2007), utilisé dans les têtes de lectures de disque dur, et prometteuse pour le stockage des données.
Le monde quantique - Où çà? - Au fondement des technologie modernes : L imagerie par résonance magnétique (IRM) est permise par la combinaison de trois technologies «quantiques» : Spin du proton : mouvement dans un champ magnétique Ce champ est produit par un aimant supraconducteur (effet quantique). Des circuits-intégrés semi-conducteurs permettent la reconstruction des images. Image statique ou dynamique (IRM fonctionnelle)
Une Introduction à la Mécanique Quantique IV. Comprendre et observer le monde quantique
Le monde quantique - Place de l expérience de pensée - Dans tous ces dispositifs, la logique étrange des superpositions reste voilée. Pour l observer directement, il faut manipuler des systèmes quantiques isolés, ce qui a été imaginé par les fondateurs de la théorie «We never experiments with single electrons, atoms or small molecules... In thought experiments we assume that we do. It always results in ridiculous consequences...» Schrödinger, «Are there quantum jumps?», British Journal for the Philosophy of Sciences, 3, 233 1952 Schrödinger savait que des particules individuelles pouvaient être détectées, mais, disait-il, c était par des obervations «post mortem», qui détruisaient l objet observé «... It is fair to state that we are not experimenting with single particles, any more than we can raise Ichthyosauria in the zoo. We are scrutinising records of events long after they have happened.» Schrödinger, ibid L étrangeté du monde quantique ne rend pas tout ce qui est étrange quantique!
Comment «observer» le monde quantique? - Pour détecter, détruire? - Détection usuelle : Effet Photoélectrique expliqué par Einstein en 1905 en utilisant quantifiant du rayonnement ( non explicable par la théorie ondulatoire de la lumière ) Photon // Grain de lumière capable «d arracher» un électron La détection usuelle des photons par effet photoélectrique «détruit» le photon.
Comment «observer» le monde quantique? - Le prix Nobel 2012 : à qui et pourquoi? - Serge Haroche ENS & Collège de France (Paris) David J. Wineland NIST & University of Colorado (Boulder) Piéger un photon et l observer sans le détruire, avec des atomes Piéger un atome sans contact avec la matière, avec de la lumière «Des méthodes expérimentales révolutionnaires qui permettent la mesure et la manipulation de systèmes quantiques individuels»
2.8 cm Comment «observer» le monde quantique? - La physique autorise une observation moins brutale! - Détection «douce» : Mesure Quantique Non Destructive (QND) Il faut déjà réussir à piéger un photon! «Boîte à photons» : - Miroirs supraconducteurs (Niobium) - Haute précision : Rugosité locale = 10 nm - Grande finesse 5 cm
Comment «observer» le monde quantique? - L interaction lumière/matière - Rappel : Soit un atome e 51 oscillations g 50 oscillations Etat Superposition : e g Paquet électronique «localisé» qui tourne à une fréquence très précise autour du noyau (fréquence atomique entre les 2 niveaux), proche de la fréquence des photons. // Aiguille d horloge sur un cadran («électron-aiguille»)
Comment «observer» le monde quantique? - L interaction lumière/matière - En présence de photons (non-résonnants) la fréquence de l horloge est légérement modifiée, ce qui retarde l horloge. Light - shift C. Cohen-Tannoudji (Nobel 1997, ENS)
Comment «observer» le monde quantique? - L interaction lumière/matière -
Comment «observer» le monde quantique? - Compter et recompter un photon - Temps (s) Un même photon est mesuré plusieurs fois sans être détruit!! Il survit 0,5 s ce qui est énorme à l échelle atomique. ( 2007 ) Nature, 446, 297 S. Gleyzes et al,
Comment «observer» le monde quantique? - Compter et recompter un photon - Un même photon est mesuré plusieurs fois sans être détruit!! Remarque : l énergie d un photon est insuffisante pour exciter l atome : un photon ne peut être absorbé (ou émis). ( 2007 ) Nature, 446, 297 S. Gleyzes et al,
Comment «observer» le monde quantique? - Non-déterminisme - Mort d un photon 1 séquence 1 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Temps (s) Time (s) Remarque : Non-déterminisme On ne peut pas prédire l apparition ou la disparition d un photon, On peut par contre prédire la probabilité que cela a d arriver.
Comment «observer» le monde quantique? - Non-déterminisme - Mort d un photon 5 séquences 1 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Temps Time (s) (s) Remarque : Non-déterminisme On ne peut pas prédire l apparition ou la disparition d un photon, On peut par contre prédire la probabilité que cela a d arriver.
Comment «observer» le monde quantique? - Non-déterminisme - Mort d un photon 15 séquences 1 théorie 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Temps (s) Remarque : Non-déterminisme On ne peut pas prédire l apparition ou la disparition d un photon, On peut par contre prédire la probabilité que cela a d arriver.
Comment «observer» le monde quantique? - Non-déterminisme - Mort d un photon 904 séquences 1 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Temps Time (s) Remarque : Non-déterminisme On ne peut pas prédire l apparition ou la disparition d un photon, On peut par contre prédire la probabilité que cela a d arriver.
Comment «observer» le monde quantique? - Compter DES photons - Remarque : Information binaire (atome dans e ou g) Un atome ne suffit pas. Impossible de compter de 0 à 7 avec un seul bit. On exploite l information de centaines d atomes : - Ils n absorbent pas de photons mais apportent de l information sur le nombre de photons.
Nombre number de of photons Comment «observer» le monde quantique? - Quantum jumps - Première mesure: résultat aléatoire: n=5 dans ce cas 5 4 3 2 1 Mesures répétées de n=5 photons T Fock ( n ) T n cav ph Sauts quantiques aléatoires 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Temps time (ms) L évolution est due aux pertes de la cavité. C. Guerlin et al, Nature, 448, 889 Observation de sauts quantiques dus à l absorptions des photons
Retour sur cette histoire de Chat - Ou pourquoi les portes sont ouvertes OU fermées - T Fock ( n ) T n cav ph «Curiosity kills the cat», mais ce n est pas tout