ATOMIQUE PHYSIQUE
Applications
La physique atomique est une science fondamentale dont le but est la connaissance pour elle-même. Cependant, elle a contribué au développement d'autres disciplines scientifiques et aux technologies modernes de façon considérable. L'essentiel de l'astrophysique est fondé sur l'interprétation du spectre électromagnétique provenant de l'espace. Un exemple caractéristique a été la construction du radiotélescope de Nançay (Cher) destiné à mesurer le rayonnement de 21 centimètres de longueur d'onde de l'hydrogène atomique. La distribution de l'hydrogène atomique dans notre Galaxie, dans la Voie lactée, a ainsi pu être cartographiée.
Autre exemple, les horloges atomiques, dont on cherche à accroître la précision, servent à définir la seconde et le mètre et permettent d'améliorer la qualité du positionnement par satellite. La physique atomique est aussi à l'origine de la résonance magnétique, dont les applications analytiques et médicales sont devenues d'une importance capitale. On pourrait multiplier les exemples.
L'optique atomique
Le contrôle du mouvement des atomes par laser permet aussi de réaliser des miroirs ou des lentilles atomiques afin de défléchir ou de concentrer un faisceau d'atomes. On a ainsi, comme pour les photons optiques, des éléments pour modeler et diriger une onde de matière à volonté. Parmi tous ces éléments, les miroirs à atomes ont été particulièrement étudiés.
En effet, le miroir est sans doute un élément crucial pour la composition de système complexe. C'est le composant principal des télescopes très performants utilisés en astrophysique. Le miroir à atomes utilise la force exercée soit par une onde lumineuse, soit par un champ magnétique. Le miroir lumineux est formé par une fine couche de lumière se propageant à la surface d'un prisme de verre. Cette couche lumineuse est une onde évanescente obtenue par réflexion totale d'un faisceau laser sur la face interne d'un prisme. L'énergie potentielle dipolaire qui résulte du couplage entre les atomes et la lumière tend à repousser les atomes loin de la surface. Dans le cas des miroirs magnétiques, c'est une succession de micro-fils qui va créer un champ magnétique dont l'amplitude décroît lorsqu'on s'éloigne de la surface ; l'énergie potentielle répulsive résulte alors du couplage entre l'atome (qui se comporte alors comme un dipôle magnétique) et le champ magnétique.
Avec ces miroirs, on peut aussi réaliser des cavités atomiques. On dispose ainsi de « boîtes » où l'on peut stocker les atomes pendant longtemps – on a pu stocker les atomes dans de telles cavités pendant presque une seconde (alors qu'un atome met typiquement 1 ms pour parcourir 1 m à température ambiante). De plus, ces cavités sont aussi des résonateurs à onde de matière.
Les lasers à atomes
Dans les atomes, il est impossible de discerner des particules identiques. Cette indiscernabilité fait que l'on classe les particules en bosons ou en fermions. Les fermions peuvent être considérés comme « individualistes » alors que les bosons s'apparentent plutôt aux « moutons de Panurge ». Les bosons ont ainsi tendance à s'accumuler dans l'état fondamental du système, c'est la condensation de Bose-Einstein. Ce phénomène, qui est certainement à l'origine de la superfluidité de l'hélium 4, fut clairement mis en évidence en 1995 dans un gaz d'atomes alcalin (rubidium) refroidi par évaporation. Le condensat de Bose-Einstein est détecté par imagerie optique et se caractérise par l'apparition brutale d'une très forte densité d'atomes au centre du piège.
Le condensat de Bose-Einstein est cohérent par nature : tous les atomes y sont décrits par la même fonction d'onde. Un condensat piégé est analogue[...]
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Écrit par
- Philippe BOUYER : chargé de recherche au C.N.R.S.
- Georges LÉVI : maître de conférences
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