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Chapitre 21. La longue quête de la condensation de Bose-Einstein

Pages 511 à 533

Citer ce chapitre


  • Cohen-Tannoudji, C.
  • et Guéry-Odelin, D.
(2016). Chapitre 21. La longue quête de la condensation de Bose-Einstein. Avancées en physique atomique : Du pompage optique aux gaz quantiques (p. 511-533). Hermann. https://stm.cairn.info/avancees-en-physique-atomique--9782705691530-page-511?lang=fr.

  • Cohen-Tannoudji, Claude.
  • et al.
« Chapitre 21. La longue quête de la condensation de Bose-Einstein ». Avancées en physique atomique Du pompage optique aux gaz quantiques, Hermann, 2016. p.511-533. CAIRN.INFO, stm.cairn.info/avancees-en-physique-atomique--9782705691530-page-511?lang=fr.

  • COHEN-TANNOUDJI, Claude
  • et GUÉRY-ODELIN, David,
2016. Chapitre 21. La longue quête de la condensation de Bose-Einstein. In : Avancées en physique atomique Du pompage optique aux gaz quantiques. Paris : Hermann. Hors collection, p.511-533. URL : https://stm.cairn.info/avancees-en-physique-atomique--9782705691530-page-511?lang=fr.

Notes

  • [1]
    La confirmation de ce point de vue arriva bien plus tard grâce à la diffusion de neutrons [Sokol (1995)] et à des simulations Monte-Carlo d’intégrales de chemin [Ceperley (1995)].
  • [2]
    L’atome d’hydrogène est constitué de deux fermions fortement liés (un électron et un proton), et se comporte donc comme un boson composite. Le deutérium, qui est constitué d’un nombre impair de fermions (un électron, un proton et un neutron) se comporte comme un fermion composite.
  • [3]
    Dans l’ortho-hydrogène, les deux spins nucléaires sont parallèles et de même sens ; dans le para-hydrogène, ils sont de sens opposé.
  • [4]
    Notons que la recombinaison moléculaire correspondante requiert un troisième corps, qu’il soit un atome ou une surface, pour qu’à la fois l’énergie et l’impulsion totales soient conservées.
  • [5]
    En fait, le premier piège magnétique pour atomes neutres fut réalisé avec du sodium [Migdall et al. (1985)].
  • [6]
    Voir la note 7 page 517.
  • [7]
    Pour un piège harmonique anisotrope, on trouve la même formule en remplaçant ω0 par (ωxωyωz)1/3.
  • [8]
    L’énergie de point zéro a été prise en compte dans la définition de la fugacité z = exp[(µ − 3ħω0/2)/kBT ].
  • [9]
    Voir §11.1.2.
  • [10]
    La valeur des différents exposants dépend du confinement et de sa dimensionnalité, elles sont données ici pour un piège harmonique tridimensionnel.
  • [11]
    Pour cela, on réduisait le courant dans l’une des bobines axiales du piège magnétique.
  • [12]
    Voir le chapitre 14.
  • [13]
    La pression résiduelle dans l’enceinte n’est pas une limitation si l’expérience est menée dans une enceinte à ultra vide (pression inférieure à 10−11 mbar).
  • [14]
    Cette affirmation n’est valable que tant que le gaz n’est pas entré dans le régime hydrodynamique [Roos et al. (2003)].
  • [15]
    Voir 14.6.
  • [16]
    Dark§spot en anglais (NdT).
  • [17]
    Le groupe d’Eric Cornell a fait la démonstration d’une autre méthode pour évaporer les atomes, en les approchant progressivement d’une surface diélectrique [Harber et al. (2003)]. Les atomes d’énergie élevée, dont la trajectoire est la plus étendue dans l’espace, sont donc adsorbés de façon sélective à la surface. On force l’évaporation en approchant petit à petit l’échantillon de la surface.
  • [18]
    Pour un gaz thermique de rayon initial ∆x0 dans la direction x et ∆y0 dans la direction y, l’expansion lors d’une expérience de temps de vol conduit à une évolution du rayon selon x en fonction du temps donnée par Description de l'image par IA : Delta majuscule en normal x parenthèse gauche t parenthèse droite égale crochet gauche Delta majuscule en normal x indice 0 au carré parenthèse gauche Delta majuscule en normal v parenthèse droite au carré t au carré crochet droit exposant 1 divisé par 2 où ∆v = (kB T/m)1/2 est la dispersion en vitesse, liée à la température. La même conclusion est valable pour la direction y. Après un temps d’évolution grand devant ∆x0/v et ∆y0/v, le rayon du nuage vaut ∆x(t) (∆v)t selon x et Description de l'image par IA : Delta majuscule en normal y parenthèse gauche t parenthèse droite asymptotiquement égal à parenthèse gauche Delta majuscule en normal v parenthèse droite t selon y. L’anisotropie initiale eventuelle ∆x0/y0 disparaît si la mesure est faite après un long temps d’expansion (t → ∞) puisque ∆x(t)/y(t) → 1.
  • [19]
    Voir la figure 22.5 du chapitre 22.
  • [20]
    Voir §21.3.4.
  • [21]
    Voir [Reichel (2002)] et les références incluses.
  • [22]
    Voir §22.5.
  • [23]
    Voir §22.5.3
  • [24]
    Office fédéral allemand de métrologie.
  • [25]
    Pour une présentation simple de l’expérience, voir aussi [Wilson (2011)].
  • [26]
    Voir §21.3.2.
  • [27]
    Voir §16.6.
  • [28]
    En anglais crossover (NdT).

L’article d’Albert Einstein [Einstein (1925)] qui introduisit le concept spectaculaire de condensation de Bose-Einstein (CBE) ne déclencha le lancement d’aucune expérience lors de sa parution. Cela est facile à comprendre, pour au moins deux raisons : d’une part, la température critique prédite se situait dans un domaine (quelques mK pour des densités standard) inaccessible à cette époque ; d’autre part, le calcul était valable pour un gaz idéal. À des températures aussi basses, toutes les substances connues à l’époque étaient solides, à l’exception de l’hélium qui reste liquide à pression usuelle, et négliger les interactions dans un liquide ou un solide n’est pas réaliste.
Quelques années plus tard, en avril 1938, Fritz London suggéra que la transition vers la superfluidité observée dans l’hélium en dessous de 2,17 K pourrait être reliée à la CBE [London (1938)]. Peu après, Laszlo Tisza établit un modèle à deux fluides pour rendre compte des phénomènes de transport observés dans l’hélium II [Tisza (1938)].
Il fallut attendre 1959 pour que des physiciens comme Charles Hecht réalisent que des atomes comme l’hydrogène pouvaient rester à l’état gazeux même à température nulle, pourvu que leurs électrons soient polarisés en spin [Hecht (1959)]. En 1976, William Stwalley et Lewis Nosanow confirmèrent l’absence de phase liquide pour de l’hydrogène atomique polarisé, grâce à une meilleure connaissance du potentiel d’interaction interatomique [Stwalley et Nosanow (1976)]. De plus, la température critique prédite pour des atomes d’hydrogène polarisés en spin n’était pas trop basse, grâce à la faible masse des atomes…


Date de mise en ligne : 01/06/2022

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