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Concept
Refroidissement d'atomes par laser
Résumé
vignette|Schéma de refroidissement d'atomes par laser, refroidissement Doppler
Le refroidissement d'atomes par laser est une technique qui permet de refroidir un gaz atomique, jusqu'à des températures de l'ordre du mK (refroidissement Doppler), voire de l'ordre du microkelvin (refroidissement Sisyphe) ou encore du nanokelvin.
Les gaz ultra-froids ainsi obtenus forment une assemblée d'atomes cohérents, permettant d'accomplir de nombreuses expériences qui n'étaient jusque-là que des expériences de pensée, comme des interférences d'ondes de matière. La lenteur des atomes ultra-froids permet en outre de construire des horloges atomiques de précision inégalée.
Relayé par une phase de refroidissement par évaporation, on atteint même le régime de dégénérescence quantique : les gaz de bosons forment un condensat de Bose-Einstein, les fermions un gaz de Fermi dégénéré. Cette technique a valu le prix Nobel de physique 1997 à Claude Cohen-Tannoudji, Steven Chu et William D. Phillips.
La température d’une assemblée d’atomes correspond à l’agitation, dite thermique, qui y règne : elle est liée aux vitesses microscopiques que conservent les atomes, malgré l’immobilité apparente de l’assemblée à l’échelle macroscopique. Selon le modèle des gaz parfaits, une description de la répartition des vitesses des atomes par la statistique de Maxwell-Boltzmann permet d’obtenir le résultat suivant :
où est la vitesse quadratique des atomes de l’assemblée et la constante de Boltzmann.
Atteindre des températures proches du zéro absolu (0 K) consiste donc à faire tendre vers zéro les vitesses des atomes. Il suffit en conséquence d’exercer sur chaque atome de l’assemblée une force proportionnelle à sa vitesse , opposée à elle, de la forme :
En effet, en négligeant l’action de la pesanteur, il s’ensuit d’après l’équation de la dynamique :
soit :
Remarque : a priori, selon la relation dynamique ci-dessus, il n’y a pas de limite à la diminution de la vitesse des atomes, donc de la température.
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