Mesures physiques
Dispositifs à atomes froids
Physique
En 1997, le français Claude Cohen-Tanoudji et les américains Steven Chu et W. Philips obtiennent un prix Nobel pour la mise en place, la description, et les fondements théoriques d'un nouveau pan de la physique atomique, les atomes froids. C'est en effet dix ans plus tôt que leurs équipes sont parvenues à refroidir des atomes à des températures de l'ordre de quelques dizaines de microkelvins.
Une fois les atomes refroidis, il est possible de faire des mesures d'accélération et de rotation d'une très grande précision. Ces capteurs inertiels d'un tout nouveau genre ont été proposés et modélisés dès 1989 par Christian Bordé (site web). Ces concepts ont été ensuite testés à partir de 1991, et aujourd'hui, ils sont en train d'égaler ou de dépasser les performances des technologies concurrentes.
Mais qu'est-ce que le refroidissement atomique ?
Pour expliquer cela il faut se souvenir que la température n'est rien d'autre qu'une mesure de l'énergie cinétique des atomes, c'est-à-dire leur vitesse. Refroidir des atomes, c'est leur ôter leur énergie, et donc les ralentir. Ainsi les atomes qui nous environnent s'agitent à une vitesse proche de 300 m/s. Par les techniques de refroidissement par laser, il est maintenant aisé de les décélérer à moins de quelques cm/s.
Comment refroidit-on des atomes ?
Il ne s'agit pas ici de décrire en détail les techniques mises en œuvre pour refroidir les atomes. Le lecteur intéressé pourra se référer à l'excellent site américain du JILA Colorado[EN] ou le site du Laboratoire Kastler Brossel de l'ENS. Il faut simplement savoir que les atomes absorbent de la lumière et cela uniquement à des longueurs d'onde très précises. Lorsqu'un atome absorbe un grain de lumière, un photon, il en garde l'énergie et ajoute son impulsion à la sienne. Si le faisceau de photons se propage en sens inverse du déplacement de l'atome, après un certain nombre d'absorptions-émissions, celui-ci est arrêté. Si on utilise trois paires de faisceaux laser concourants dans l'espace, les atomes sont arrêtés à leur point de rencontre, et donc donnent naissance à un nuage d'atomes froids nommé une mélasse. Si on ajoute un champ magnétique, une force de rappel est créée qui piège les atomes à l’endroit où le champ est nul.
Image d'un milliard d'atomes
piégés et refroidis (en fausse couleur)
Les températures atteintes sont de l'ordre de 1 à 10 microKelvins selon l'atome.
Pourquoi refroidit-on des atomes ?
Ces recherches représentent des prouesses expérimentales de premier ordre, et permettent de vérifier la mécanique quantique de manière spectaculaire. Au-delà de l'aspect fondamental, l'intérêt réside dans l'utilisation des atomes comme des sondes de mesure universelles et invariables dans le temps. En effet, les atomes du fait de leur nature quantique représentent des référence absolues d'énergie et donc de fréquence par la relation simple de proportionnalité (E=hν ou h est la constante de Planck). Les ralentir permet de les observer plus longtemps et ainsi d'augmenter la sensibilité de la mesure de manière décisive. De la même manière que pour mesurer une distance avec une règle, il est plus précis de se concentrer longtemps sur la graduation que d'y jeter un coup d'œil rapide. De plus, la loi statistique suivie par les atomes (loi de Maxwell-Boltzman) dit que lorsque on diminue la vitesse moyenne des atomes, leur dispersion autour de cette valeur diminue dans la même proportion. Ainsi les atomes froids interagissent de manière très similaire. La mesure se rapproche de la mesure parfaite sur un atome unique (effet de moyennage réduit).
Tandis que la plupart des laboratoires ont orienté leurs recherches vers des considérations de physique fondamentale (atteindre, par exemple, des températures de l’ordre du nanoKelvin avec des condensats de Bose Einstein : laboratoire Charles Fabry (eng) ), L’Onera, lui, a décidé de s’orienter vers les applications de ce phénomène.
La première de ces applications est celle de la mesure du temps. En effet la mesure sur atomes froids permet, pour un volume donné, une meilleure précision qu’une horloge atomique classique. On peut donc par ce système fabriquer des horloges plus petites, avec une précision similaire (voir l'horloge à fontaine atomique de l’Observatoire de Paris).
Une autre application est celle de la mesure inertielle, qui constitue actuellement un des principaux axes de travail du département dans le domaine des atomes froids.
