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Concept
Ultracold atom
Résumé
In condensed matter physics, an ultracold atom is an atom with a temperature near absolute zero. At such temperatures, an atom's quantum-mechanical properties become important.
To reach such low temperatures, a combination of several techniques typically has to be used. First, atoms are trapped and pre-cooled via laser cooling in a magneto-optical trap. To reach the lowest possible temperature, further cooling is performed using evaporative cooling in a magnetic or optical trap. Several Nobel prizes in physics are related to the development of the techniques to manipulate quantum properties of individual atoms (e.g. 1995-1997, 2001, 2005, 2012, 2017).
Experiments with ultracold atoms study a variety of phenomena, including quantum phase transitions, Bose–Einstein condensation (BEC), bosonic superfluidity, quantum magnetism, many-body spin dynamics, Efimov states, Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) superfluidity and the BEC–BCS crossover. Some of these research directions utilize ultracold atom systems as quantum simulators to study the physics of other systems, including the unitary Fermi gas and the Ising and Hubbard models. Ultracold atoms could also be used for realization of quantum computers.
Samples of ultracold atoms are typically prepared through the interactions of a dilute gas with a laser field. Evidence for radiation pressure, force due to light on atoms, was demonstrated independently by Lebedev, and Nichols and Hull in 1901. In 1933, Otto Frisch demonstrated the deflection of individual sodium particles by light generated from a sodium lamp.
The invention of the laser spurred the development of additional techniques to manipulate atoms with light. Using laser light to cool atoms was first proposed in 1975 by taking advantage of the Doppler effect to make the radiation force on an atom dependent on its velocity, a technique known as Doppler cooling. Similar ideas were also proposed to cool samples of trapped ions. Applying Doppler cooling in three dimensions will slow atoms to velocities that are typically a few cm/s and produce what is known as an optical molasses.
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Concepts associés (4)
Piège magnéto-optique
350px|thumb|Montage expérimental d'un piège magnéto-optique. Un piège magnéto-optique (ou "MOT", de l'anglais magneto-optical trap) est un dispositif qui utilise à la fois le Refroidissement d'atomes par laser et le piégeage magnétique afin de produire des échantillons d'atomes neutres « froids », à des températures pouvant aller jusqu'à quelques microkelvins, à deux ou trois fois la limite de recul du refroidissement Doppler (cf. article principal).
Refroidissement d'atomes par laser
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.
Physique de la matière condensée
La physique de la matière condensée est la branche de la physique qui étudie les propriétés microscopiques et macroscopiques de la matière dans un état dit « condensé ». Ce terme doit être entendu par opposition à d'autres états de la matière, plus dilués, tels que l’état gazeux et les plasmas, ou encore par opposition à l’étude des atomes ou molécules isolés ou peu nombreux. Son objet d’étude consiste donc principalement dans les solides, ce qui explique que cette branche de la physique a longtemps été désignée par le terme de « physique des solides ».