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19 nov.

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A la découverte des labos

Capteurs quantiques et mesures extrêmes

Actualité

Un atome est-il vraiment neutre électriquement, autrement dit, la charge des électrons compense-t-elle exactement celle du noyau de l’atome, comme on l’apprend au collège ? C’est à ce genre de questions, à la fois simples en apparence, et fondamentales pour les physiciens, qu’Alexandre Gauguet, chercheur au Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité, tente de répondre grâce à son projet original de mesures extrêmes par interférométrie atomique.

© Julien Alibert / LCAR

© Julien Alibert / LCAR

Vous avez développé avec votre équipe un outil de mesure particulièrement précis exploitant des découvertes récentes en mécanique quantique. Pouvez-vous expliquer son principe ?

Nous étudions des phénomènes très difficiles à mesurer. Pour y parvenir, nous avons donc dû inventer un outil ad hoc, abrité dans le sous-sol de notre laboratoire. Dans une petite cellule de verre, nous avons isolé un milliard d’atomes de rubidium refroidis grâce à des lasers à une température un milliard de fois plus froide que l’air ambiant, proche du zéro absolu, ce qui rend ces atomes extrêmement stables, quasiment immobiles, condition indispensable pour ces mesures.
Grâce à des faisceaux lasers, nous séparons en deux ondes divergentes les atomes avant de les recombiner ce qui donne lieu à un phénomène d’interférences. Pendant le laps de temps où l’atome est délocalisé en deux endroits à la fois, nous le soumettons à diverses perturbations, des champs magnétiques par exemple ou des champs électriques. L’évolution des interférences entre les ondes nous permet de mesurer précisément ces perturbations.
Cet outil de mesure très sensible, développé depuis 2014 et qui commence à produire ses premiers résultats cette année, est appelé interféromètre atomique.

Un atome peut donc être à deux endroits à la fois … !?

Oui. Au lycée, on a longtemps enseigné que les atomes étaient des corpuscules. Mais depuis les travaux de Louis de Broglie dans les années 1920, un des pères de la mécanique quantique, on sait que les atomes ont en réalité à la fois un comportement corpusculaire et ondulatoire. Comme une onde occupe toute une portion d’espace à elle seule, un atome peut aussi être délocalisé.
Cette nature ondulatoire des atomes est restée longtemps une question académique. Mais dans les années 80, des progrès ont été réalisés dans le domaine de la manipulation d’atomes par lasers rendant possible des refroidissements extrêmes de la matière. Avec ces atomes ultra-froids, on a pu commencer, à partir des années 90, à mener des expériences de plus en plus sophistiquées, tirant parti de ces caractéristiques ondulatoires.
Une vingtaine de laboratoires dans le monde travaillent dans ce domaine. Beaucoup s’intéressent à la mesure de la gravitation. A Toulouse, nous cherchons surtout à mesurer les propriétés des champs électriques et magnétiques.

Ces recherches peuvent-elles avoir des applications pratiques ?

Notre recherche vise avant tout à répondre à des questions fondamentales. Nous voulons vérifier les lois qui régissent l’univers comme la neutralité de la matière. Mais ces mesures peuvent aussi avoir un impact très concret.
La force de gravitation est modifiée lorsqu’il y a des gisements dans le sous-sol. Pouvoir en repérer des variations très faibles peut donc aider à repérer ces gisements sans avoir à sonder les sous-sols.
Nous participons également à la définition de projets visant à mener ces expériences de mesures extrêmes, en apesanteur, dans l’espace, depuis un satellite. Cela pourrait intéresser les géophysiciens qui souhaitent mesurer la vitesse de la fonte des glaces aux pôles.
 
 
  • Pour aller plus loin
Le site du Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité (LCAR – unité mixte de recherche CNRS / UT3 Paul Sabatier)
Une présentation brève du projet 

Dates
le 23 mars 2017

Date de mise à jour 2 novembre 2017


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