Reflets de la Physique n°62 jun à sep 2019
Reflets de la Physique n°62 jun à sep 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°62 de jun à sep 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 60

  • Taille du fichier PDF : 5,2 Mo

  • Dans ce numéro : dossier, le nouveau système international d'unités.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Mesurer une masse grâce à l’impulsion d’un photon Pierre Cladé (pierre.clade@lkb.upmc.fr) et Saïda Guellati-Khélifa (saida.guellati@lkb.upmc.fr) Laboratoire Kastler Brossel (Sorbonne Université, CNRS, ENS-Université PSL, Collège de France), 4 place Jussieu, 75005 Paris La mesure par effet Doppler du recul d’un atome par absorption d’un photon permet de mesurer la masse de cet atome avec une très haute précision ( 10 -10). Le lien entre masse macroscopique et masse atomique est obtenu par comptage du nombre d’atomes d’une sphère monocristalline de silicium. 22 Reflets de la Physique n°62 La physique quantique pour mesurer les masses La 26 e Conférence générale des poids et mesures a décidé de définir l’unité de masse en fixant la valeur de la constante de Planckh. Cette définition fait donc reposer la réalisation de toutes les unités qui dépendent du kilogramme sur des phénomènes quantiques. C’est le cas, par exemple, des grandeurs électriques dont les mesures s’appuient sur l’effet Josephson et l’effet Hall quantique. La constante de Planck sert avant tout à mesurer les énergies à l’échelle quantique  : elle a été introduite comme constante permettant de lier la fréquence d’un photon à son énergie. Dans la balance de Kibble, on compare l’énergie (ou la puissance) électrique (mesurée par rapport à h) à l’énergie potentielle de pesanteur d’une masse (voir l’article de M. Thomas et al., p.18). En fait, en fixanth, c’est l’unité d’énergie, plus que celle de masse, que l’on a fixée. D’ailleurs, le texte de la résolution l’indique explicitement, puisque la valeur numérique de h y est exprimée en Js. Cependant, il est possible de relier la constante de Planck à une masse par une autre méthode, qui utilise la conservation de l’impulsion. Cette méthode, décrite cidessous, repose sur le recul d’un atome qui absorbe un photon et donne accès à une masse atomique. Utilisée conjointement avec la mesure du nombre d’atomes dans une sphère monocristalline de silicium, elle constitue une alternative à la balance de Kibble (voir la figure 2 de l’article deL. Julien, p.15). Dans un faisceau lumineux monochromatique de fréquence ν, chaque photon possède une énergie égale exactement à hν et une impulsion qui vaut hk = hν/c (si ce faisceau constitue une onde plane). Lorsqu’un photon est absorbé par un objet massique (par exemple un atome de masse m), il va transférer sa quantité de mouvement à cet objet, lequel va reculer avec une vitesse inversement proportionnelle à sa masse. Cette vitesse, que l’on appelle vitesse de recul, vaut v r = hν/mc. Dans le nouveau SI, où h et c sont fixées, la mesure de cette vitesse, associée à celle de la fréquence du photon, permet donc de déterminer directement la masse de l’objet. Mesure du recul atomique L’expérience permettant de mesurer précisément cette vitesse de recul (fig. 1) a été décrite dans le numéro 59 de Reflets de la physique (p. 8). Nous en rappelons ici brièvement le principe. L’effet Doppler est utilisé pour connaitre précisément le changement de vitesse des atomes. En comparant la fréquence d’une transition avant et après l’absorption d’un photon, il est possible de déterminer ce changement de vitesse. Pour transférer la vitesse de recul aux atomes, on peut utiliser non seulement l’absorption, mais aussi l’émission stimulée d’un photon  : dans ce cas, l’atome émet un photon dans la même direction que celle du faisceau laser incident. Si ce faisceau laser va dans la direction opposée à celle du faisceau utilisé pour l’absorption, alors les deux impulsions de
Flurorescence d’atomes de rubidium dans un piège magnéto-optique Laser du piège (fibre optique er collimateur) recul sont de même sens. L’utilisation d’atomes froids, de vitesse initiale bien connue, nous permet d’avoir une mesure très précise de la variation de vitesse des atomes. Dans l’expérience menée au Laboratoire Kastler Brossel, on arrive par exemple à réaliser le processus d’absorptionémission stimulée exactement 500 fois, ce qui permet de transférer aux atomes une vitesse de 1000 v r soit environ 6 m s -1, et donne un effet Doppler de 15 MHz. Dans cet exemple, on dispose de quelques dizaines de millisecondes pour effectuer la mesure ; ceci limite la résolution à environ 100 Hz. Avec un rapport signal-à-bruit de l’ordre de 30 et une moyenne sur plusieurs dizaines de milliers de réalisations, il est possible de connaitre l’effet Doppler avec une précision de 10 mHz. On arrive ainsi à une précision relative meilleure que 10 -9 sur la vitesse de recul. L’expérience est extrêmement sensible et, comme dans beaucoup d’expériences de métrologie, ce sont les effets systématiques qui limitent l’exactitude finale. Parmi les effets les plus importants, on peut citer tous ceux liés à des déplacements des niveaux d’énergie des atomes (par exemple  : déplacement Zeeman, déplacement lumineux ou de champ moyen). Ces déplacements sont liés à une configuration particulière de l’expérience et peuvent tous en théorie être contrôlés. Il reste cependant un effet systématique plus fondamental  : pour connaitre l’impulsion d’un photon, il faut que celui-ci soit dans une onde plane. Or il ne sera jamais possible de réaliser une onde plane parfaite, et il faudra toujours tenir compte des corrections à l’impulsion Pierre Cladé du photon. Par exemple, pour un faisceau gaussien de diamètre 1 cm, une correction de l’ordre de 2 × 10 -9 devra être appliquée. De même, toute perturbation du front d’onde ou de l’intensité du faisceau due à des défauts optiques induira un effet systématique. En étudiant précisément ces limites, nous avons pu réaliser en 2011 une mesure sur l’atome de rubidium avec une précision de 1,2 × 10 -9. Plus récemment, le groupe de H. Müller à Berkeley aux États-Unis a réalisé une mesure sur l’atome de césium avec une incertitude finale de 4 × 10 -10. Ces deux mesures du recul atomique sont les plus précises à ce jour. Le nouveau Système international d’unités 1. Dispositif expérimental utilisé au Laboratoire Kastler Brossel pour mesurer la vitesse de recul d’un atome de rubidium. Des masses atomiques aux masses macroscopiques L’expérience de recul que nous avons décrite permet de mesurer la masse d’un atome particulier. Il existe aussi des expériences permettant de mesurer précisément le rapport de masse entre deux atomes. Pour cela, on ionise un atome et on le place dans un piège de Penning (a). Le champ uniforme du piège crée pour l’ion un mouvement cyclotron de quelques MHz, qui dépend du rapport masse-sur-charge de l’ion. La mesure du rapport des fréquences Reflets de la Physique n°62 23



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