CNRS Le Journal n°239 décembre 2009
CNRS Le Journal n°239 décembre 2009
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°239 de décembre 2009

  • Périodicité : trimestriel

  • Editeur : CNRS

  • Format : (215 x 280) mm

  • Nombre de pages : 44

  • Taille du fichier PDF : 2,7 Mo

  • Dans ce numéro : Climat, les enjeux de Copenhague

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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30 INSITU MÉDAILLE D’OR DU CNRS Le dompteur de photons Le 16 décembre prochain, à la Sorbonne, Serge Haroche recevra la médaille d’or 2009 du CNRS. La plus importante distinction scientifique française récompense cette année un physicien exceptionnel qui a su élaborer des expériences très raffinées afin d’observer ce qui se trame dans le monde étrange de l’infiniment petit. Des expériences dont les inventeurs de la physique quantique avaient rêvé il y a près de 100 ans. Serge Haroche a ouvert une nouvelle fenêtre sur le monde microscopique, en nous permettant d’observer des phénomènes quantiques et des mécanismes de mesure fondamentaux dans des expériences qui semblaient jusqu’alors inconcevables (…). Niels Bohr a dit un jour que la vérité et la clarté ne peuvent être atteintes simultanément, mais l’œuvre de Serge Haroche montre que c’est possible ». C’est en ces termes que Daniel Kleppner, professeur au MIT, parle du lauréat de la médaille d’or du CNRS 2009. Niels Bohr n’est rien de moins que le père fondateur de la théorie quantique. Avec Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger et d’autres physiciens de ce calibre, il révéla dans les années1920 le monde étrange de l’infiniment petit : à cette échelle, impossible de connaître simultanément avec certitude le mouvement et la position d’une particule. Elle peut être à la fois ici et là, tourner simultanément dans un sens et dans l’autre. Pour illustrer cette étrange superposition d’états, les pionniers de la physique quantique imaginèrent d’ingénieuses expériences de pensée. Ces expériences, Serge Haroche, 65ans, à peine quelques cheveux blancs, s’emploie à les réaliser depuis plus de trente ans. Avec toujours plus d’élégance. De sa voix rauque et douce, avec hauteur mais bienveillance, il en explique l’objectif : « Il s’agit d’observer la superposition d’états des particules pour tâcher de comprendre à partir de quel moment un système cesse d’être quantique et bascule dans le monde classique. » Ce monde, c’est celui auquel appartiennent les systèmes formés d’un nombre gigantesque de particules et qui eux, ne peuvent pas manifester l’ubiquité quantique : une table, un être humain, un coléoptère… Ce basculement d’un monde à l’autre porte un nom : la décohérence. La comprendre, c’est comprendre pourquoi le monde dans lequel nous vivons, constitué de milliards de particules élémentaires quantiques, nous apparaît comme classique. « La décohérence se produit parce que le système est en quel- Le journal du CNRS n°239 décembre 2009 © Photos : C. Lebedinsky/CNRS Photothèque que sorte perturbé par son environnement macroscopique et finit par prendre position. Observer le système avant que la décohérence ne survienne, c’està-dire pendant le bref instant où il est encore cohérent, est une opération extrêmement délicate. » Mais Serge Haroche est passé maître dans l’art de surprendre la cohérence quantique. Pour observer ce phénomène fugace, il a dû mettre au point des méthodes expérimentales fines et... DES CHATS EN CAVITÉ Les expériences en cavité réalisées par l’équipe du Laboratoire Kastler Brossel (LKB) étudient l’étrangeté du principe de superposition, en préparant ce que les physiciens ont pris l’habitude d’appeler des chats… de Schrödinger. Non par affection, mais en référence à une célèbre expérience de pensée formulée par Erwin Schrödinger en 1935. Pour illustrer la superposition d’états de particules, celui-ci avait imaginé le dispositif suivant : dans une cage dans laquelle se trouve un chat, une fiole de poison est reliée à un mécanisme lui-même en contact avec un atome radioactif. Si l’atome se désintègre, la fiole se déverse dans la cage, et le chat meurt. originales : il emprisonne des photons « en cage ». (Lire l’encadré.) Pour observer la superposition d’états des particules sans que la mesure ne perturbe trop le système, il a eu le premier l’idée, dans les années 1970, d’utiliser des « atomes sondes » très particuliers. Ces atomes, dits de Rydberg, prennent une empreinte de la cavité, un peu comme des rayons X prennent une empreinte de l’intérieur du corps humain. Cette empreinte révèle l’état quantique des photons. UNE TRAJECTOIRE COHÉRENTE C’est non sans une certaine fierté qu’il fait visiter l’antre où se déroulent ces étranges expériences : une pièce au sous-sol de l’ENS dont les diverses machineries forment un méli-mélo impénétrable au milieu duquel il est presque impossible de circuler. Vrai modeste, il assure que « malgré la complexité du dispositif, la théorie physique sous-jacente est finalement très simple. Mais S’il ne se désintègre pas, la fiole reste intacte et le chat, vivant. Or, selon la théorie quantique, l’état de l’atome est incertain : il a autant de chance de se désintégrer que de rester intact. De ce fait, impossible de savoir si le chat est mort ou vivant : il est à la fois l’un et l’autre. Dans les expériences du LKB, le chat est remplacé par une poignée de photons (de la portion micro-ondes du spectre électromagnétique). Afin de surprendre leur superposition d’états, l’équipe les « met en cage » dans une cavité, plus précisément entre deux parois circulaires de 5 cm de diamètre se faisant face. Ces parois sont recouvertes de miroirs ultraréfléchissants portés à une température proche du zéro absolu. Avec ce dispositif, les photons rebondissent plus d’un milliard Serge Haroche et son collègue Igor Dotsenko examinent une cavité « piège à photons ». > de fois d’une paroi à l’autre, ce qui signifie qu’ils parcourent 40000 km, l’équivalent de la circonférence de la Terre ! Ceci permet de retarder considérablement le moment où ils se perdent dans les miroirs. Leur durée de vie est portée à 130 millisecondes, ce qui laisse le temps d’observer le système quantique avant que la décohérence ne survienne. Mais comment surprendre le système quantique ? Toute mesure habituelle du champ avec un appareil le perturbera et le forcera à se positionner. La clé, ce sont les atomes sondes. Des atomes sont placés dans un état de Rydberg 1 : ils sont bombardés par une série de photons afin de placer un de leurs électrons sur une trajectoire circulaire très « excitée » c’est-à-dire de diamètre 2 500 fois plus grande que celle du même électron dans l’état fondamental de l’atome.
Ces atomes « géants » se couplent à merveille avec les photons micro-ondes et permettent de les détecter de manière douce, sans absorber l’énergie lumineuse ni trop perturber le système, en emportant une empreinte de l’état du champ. L’équipe en tire des cartes quantiques, espèces de radiographies de l’état du champ piégé dans la cavité. On y découvre deux pics, signatures des états classiques (les équivalents des états « mort » et « vivant » du fameux chat). Et entre ces deux pics, des franges d’interférences, signes de la superposition quantique qui s’effacent progressivement lorsque l’on effectue une radiographie quantique du champ en fonction du temps. Cet effacement révèle de façon spectaculaire le processus de la décohérence quantique. É.B. 1. Rydberg fut un des fondateurs de la spectroscopie atomique. INSITU « Cette médaille, je la considère comme une reconnaissance du travail de toute mon équipe… » 31



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