La lumière à "l'arrêt"

Bonjour,

J'espère que cela vous interessera. Je pense que certain connaissent déjà, mais pour les autres, je vais essayé d'être clair. Je met cela ici, parce que je trouve que c'est de la belle physique, mais qui reste à portée de tous, contrairement aux théorie complexes dont on parle souvent ici, et qui sont bien opaque pour beaucoup, même physicien de métier...

Ceci est un résumé de l'article de Diapositive 24 .O {color:#336666; font-size:149%;} a:link {color:#006666 !important;} a:active {color:#CCCCCC !important;} a:visited {color:#B2B2B2 !important;} Pr Lene VERSTERGAARD HAU « La lumière ralentie par les atomes froids » (Pour la science dossier octobre descembre 2006, lui même inspiré des travaux de Stephen Harris (Université de Stanford, 1990).

Depuis longtemps, on manipule la lumière de manière, disons, plutôt basique. Les lentille, miroir, et autres accessoires de l'optique géométrique linéaire, et même de l'optique non linéaire sont désormais devenus monnaie courante.

Mais nous savons aussi, depuis plus récemment, manipuler la lumière de manière plus élaborée. Nous avons pu acquérir de telle moyens grâce à la manipulation de matériaux qui sont à l'état naturelle inappropriés à l'optique car opaque... comme par exemple, le sodium.

Ce que nous faisons du soduim, aujourd'hui en laboratoire, c'est un "piège à lumière", qui pourrait avoir des application très optimistes en informatique notamment en ce qui concerne le transport et le stockage de l'information. Mais expliquons un peu comment cela fonctionne...

Si vous le permettez, je vais tenter de m'adapter au débutant en physique. Je vais repartir de la base.

1 - Lumière, Vitesse de groupe, vitesse de phase

La lumière peut être vu comme une particule (le photon) ou une onde (onde électromagnétique). Comme toute onde, elle possède une équation (léqution d'onde) qui décrit sa propagation en fonction de sa fréquence, l'amplitude de ses composantes electrique et magnétique, ... Mais comme vous le savez, la lumière blanche (entre autre) n'est pas UNE onde, mais un "paquet" d'ondes. C'est l'ensemble des longueurs d'ondes (fréquences) du visible.

Nous distinguons alors, en physique, deux formes de vitesses. La vitesse de phase, (vitesse d'une seule phase, c'est à dire la vitesse d'un point de l'oscillation notée Vp) et la vitesse de groupe (la vitesse du paquet d'onde notée Vg). Ces deux vitesses sont très différentes.

Une impulsion lumineuse est presque une longueur d'onde pure. Elle est en fait la superposition de plusieurs fréquence très proches qui forment une gaussienne dans le domaine fréquentiel. Elle possède donc une vitesse de groupe. Voici une impulsion lumineuse.

2 - Vitesses et indice de réfraction (ou indice optique)

La vitesse de phase (Vp) est fonction de plusieurs paramètres du milieu où l'onde se propage. Ces propriétés sont en grande partie résumée dans ce que nous appelons l'indice de réfraction (n). égal à 1 dans le vide, un peu plus dans l'air, c'est indice n'a de sens que s'il est lié à un matériau transparent à la longueur d'onde étudiée. En bref, un mur n'a pas d'indice de réfraction dans le visible, puisqu'il est opaque...

La vitesse de groupe ici nous intéresse plus. Elle dépend aussi du même indice, mais de manière différente. Elle démend en fait de la variation d'indice en fonction de la fréquence de l'onde. C'est à dire que la vitesse de groupe d'une onde dépend de la vitesse de phase de toutes les ondes qui la compose... La lumière blanche, par exemple, est la superposition de beaucoup d'ondes de toutes les "couleurs" (une fréquence = une couleur, dans le visible). Chacune des ondes possède une vitesse de phase qui lui est propre, mais le "paquet d'onde" possède une vitesse de groupe qui dépend de chacune des ondes. On dit, mathématiquement parlant et en première approximation, que la vitesse de groupe est inversement proportionnelle à la différentielle de l'indice par la fréquence. (différentielle = dérivée).

La plupart des matériaux transparent, comme le verre, est faiblement dispersif, c'est à dire que la vitesse varie peu en fonction de la fréquence. La vitesse de groupe est donc souvent proche voire égale à la vitesse de phase. Mais imaginons que nous soyons capable de trouver un matériaux qui au contraire possède la capacité de faire varier ennormément la vitesse en fonction de la fréquence... Dans ce cas, la vitesse de groupe de la lumière (d'une impulsion lumineuse en fait) serait très faible... très loin de ce qu'on connait en tout cas !

Ce matériau n'existe pas à l'état naturel... Mais Stephen Harris, et son équipe, ont su l'élaborer...

3 - Condensat de Bose Einstein, Sodium et vitesse de groupe

Le sodium n'est pas transparent... Il n'est donc pas approprié à l'optique. Toutefois, il est possible, moyennant de grand effort, de le rendre transparent. Comment cela ? ... c'est là que je vais passer des détails. Pour les physicien qui liront toutefois, sachez qu'il s'agit de transparence induite par interférence quantique (superposition des état quantique entre la fondemental et le premier niveau( spins parallèles) ). Pour obtenir cette transparence, il faut "éclairer" le sodium par deux laser de couleurs différentes. Si on coupe l'un des deux ou les deux, le sodium redevient opaque.

Nous ne parlons toutefois pas de sodium tout bête... ce serait trop simple. Nous parlons en fait de condensat de bose einstein. Un condensat de bose einstein, c'est une espère ce soupe froide (très...) confinée dans un tout petit espace. En fait, des atomes de sodium sont ralenti et confiné dans une chambre à vide. Ce qui les rend quasiment "immobile" .. et donc très très très froid (environ 10 ^ -12 K ... oui oui... kelvin ... ). Voici un condensat à différent stade de refroidissement :

Cet espèce de sodium nous interesse, car elle a une propriété remarquable : elle est extrêmement dispersive : la vitesse des ondes varie beaucoup avec la fréquence... potentiellement donc, si la lumière passe dedans, sa vitesse de groupe sera très faible (attention : pas les vitesses de phase !!). Voici un aperçu qualitatif de la dispersivité de ce matériau :

Si on fait passer une impulsion lumineuse à l'interieur de cette soupe, elle va posséder une vitesse de groupe qui va être de l'ordre de :

Vg = c . 5e-8 ... soit ... 54 km/h ...

Même si elle se fait flasher en ville, c'est lent... pour de la lumière

4 - Polariton : la lumière à l'arrêt.

Mais quelque chose est encore plus étonnant que cette vitesse... Quand l'imulsion lumineuse passe, elle produit une modification de l'orientation des spin des atomes de sodium... C'est ce qu'on appelle l'emprunte de la lumière, ou encore, le "polariton". Voici u polariton grossièrement dessiné par mes soins

Ce polariton se déplace à la vitesse de groupe (54 km/h), et chose étonnante, s'arrêt quand on cesse d'éclairer notre soupe. Rappellez vous que pour être transparente, notre soupe doit être éclairée avec deux lasers. Si on coupe ces lasers, le polariton s'arrête... et quand on remet la musique... il repart comme si de rien n'était !! ...

Imaginez les perspectives maintenant ...

Voila... j'espère avoir suscité votre intérêt ... je n'avais rien a faire alors je n'ai pas perdu mon temps si au moins une personne lit cela :D

A+ pour de nouvelle aventure, vers l'infini et au delà :D

Bien vôtre, Mad_

Et excusez moir pour l'orthographe :S

Quelle application industrielle tu imagines avec ça?

Pourquoi toujours cette réaction de l'application industrielle ?

Les lois de la nature se suffisent à elles mêmes. Rien que leur connaissance est plus utile que d'en faire des casseroles ou des super ipod.

Quand à son retour de la Lune on a fait faire à Neil Armstrong la tournée des patelins et qu'on lui a fait faire le discours "tuperware" comme il l'appelait et qu'il répétait par coeur et automatiquement. Il en a eu ras le bol que la principale question qu'on lui posait était "est ce que cela va nous donner de meilleurs casseroles ?".

Un jour il a pété les plombs et il n'a plus jamais voulu entendre parler d'Apollo.

On leur décroche la Lune et les ploucs veulent en faire des casseroles.

Le stockage de l'information. Aujourd'hui elle reste un soucis en informatique. Les disques durs sont fragiles. Mais je suis bien conscient de l'écart entre la réalité des industriels, et celle des labos... disons que c'est une application à moyen long terme... L'information dans un condensat ne vieilli pas, et ne prend que peu de risque... De plus, le polariton peut être un bon vecteur de transport de l'information.

On leur décroche la Lune et les ploucs veulent en faire des casseroles.

:D

Là ... j'arrive plus à faire semblant Hal... faut pas me faire ça c'est pas cool :D

C'est à Banlieusard que je répondais, pas à toi bien sur.

Pourquoi toujours cette réaction de l'application industrielle ?

et pourquoi pas , car sans la recherche tu n'aurais pas pue nous répondre , et ont habiterait toujours dans des grottes

Pourquoi toujours cette réaction de l'application industrielle ?

Les lois de la nature se suffisent à elles mêmes. Rien que leur connaissance est plus utile que d'en faire des casseroles ou des super ipod.

Quand à son retour de la Lune on a fait faire à Neil Armstrong la tournée des patelins et qu'on lui a fait faire le discours "tuperware" comme il l'appelait et qu'il répétait par coeur et automatiquement. Il en a eu ras le bol que la principale question qu'on lui posait était "est ce que cela va nous donner de meilleurs casseroles ?".

Un jour il a pété les plombs et il n'a plus jamais voulu entendre parler d'Apollo.

On leur décroche la Lune et les ploucs veulent en faire des casseroles.

Euh t'es tombé sur la tête?

Je te trouve particulièrement arrogant, pour toi le fait qu'un mec a marché sur la Lune c'est plus utile que de faire une découverte pratique pour l'humanité et de l'appliquer industriellement afin que tout le monde en profite?

Avec toi on serai au moyen age à chercher les esprits qui hantent la forêt! lol

A choisir entre mon iphone et un mec qui marche sur la lune... Iphone! lol

Bon je t'en apprend une, le fait d'aller dans l'espace à apporter une évolution technologique aux USA, panneau solaire, nourriture lyophilisée, etc. Application industrielle.

Mais je ne suis pas contre la recherche qui vise à comprendre le fonctionnement dans la nature, tu m'attaques en montant sur tes grands chevaux parce que je demande juste "quelle application industrielle"? T'es mal réveillé ou quoi?

Ce que tu oublies, c'est que le gars qui a inventé le transistor, aujourd'hui indispensable à ton I Phone, et mort comme un con, tout seul, en s'entendant dire exactement ce que tu dis... Et aujourd'hui, il a eu le prix nobel... juste quelques dizaines d'années après sa découverte.

Marché sur la lune est plus utile que ton I Phone, cela nous a permis de comprendre bien des choses sur l'histoire des astres, et sur les possibilité / faiblesses de nos technologies de pointes. Et ces choses que nous avons découvertes sont aujourd'hui valorisées... dans ton I Phone...

Il faut savoir voir légèrement plus loin que 10 ou 20 ans dans l'avenir. Il faut être capable de se dire que certaines choses mettrons 100 ou 200 ans avant d'être valorisées, mais qu'elles le seront... C'est le cas de la mécanique quantique (elle aussi utile à ton I Phone, et elle date de plus d'un siècle...), c'est le cas de la relativité (pas mal dans des domaines divers... et elle a plus d'un siècle...).

Sans les mathématiques, à l'époque fondamentales, de Pascal, tu n'aurais même pas de quoi pianoter sur un clavier, et dénigrer par là le travail de personnes bien plus visionnaires que toi !

Je pense que la vitesse de la lumiere est c=3.10^8 entre les atomes de sodiums et par consequent, ce que l'on mesure c'est le taux auxquel les atomes de sodiums absorbent et reemetent les radiations electromagnetiques. Non?

La vitesse c dont tu parles est la vitesse de phase. Elle ne correspond pas à la vitesse de groupe, même si toutefois, cette vitesse de groupe est proche de c dans les matériaux, disons, "naturels" . La modification de la vitesse de phase et de la vitesse de groupe s'observe bien dans un prisme. Elle est responsable de la dispersion des couleurs du spectre.

Si on superposent plusieurs ondes, elles vont interagir entre elles, se modulées en somme. Et c'est la vitesse de la nouvelle onde ainsi crée qui serait la vitesse de groupe. Elle ne représente pas vraiment la "vitesse de la lumière" © qui elle reste bien très élevée.

En effet, par contre, le polariton peut être vue un peu comme tu le représente. Sauf que les energies sont tels que l'impulsion ne génèrent pas de transitions puisque notre matériau doit être transmarent à cette impulsion... par contre, elle génère des modifications de l'état de spin des électrons des couches de basses énergie.

En effet, par contre, le polariton peut être vue un peu comme tu le représente. Sauf que les energies sont tels que l'impulsion ne génèrent pas de transitions puisque notre matériau doit être transmarent à cette impulsion... par contre, elle génère des modifications de l'état de spin des électrons des couches de basses énergie.

Merci Mad_World. J'ai encore beaucoup a apprendre sur la physique quantique!

Je te rassure... moi aussi

En tout cas merci à toi Kyril, au moins j'ai pas fait ça pour rien puisque quelqu'un l'a lu

Je l'ai lu également. C'est très intéressant.

Très bien vulgarisé ... (Tu devrais faire équipe avec Igor et Grishka)

Le polariton est un phonon je suppose.

Merci,

Je ne pense pas... il faudrait vérifier, mais il ne me semble pas qu'il soit considéré comme un phonon...mais je peux me tromper... A voir. Mais je te fais plus confiance à toi pour le coup

Non mais je disais ça comme ça. Personnellement je n'ai pas cherché à savoir si c'était ou non un phonon.

Moi je disais pas ca comme ça... Je pense que ce n'est pas un phonon car ça ne ressemble pas à une onde mécanique progressive. En tout cas il ne s'agit pas d'un type d'onde que je connais. Je dirais au ca ressemble plus à un truc du genre une onde magnétique progressive... mais bon...

Mais alors, la lumière, c'est une onde-particule, une onde ou une particule ?

On choisit au hasard ou qu'est-ce qui différencie tout ça ?

Peut-être plutôt une onde car je vois mal ma lampe de chevet creer de la matière.

La lumière, c'est une onde mais aussi des particules (dualité onde-corpuscule)

Il y a l'aspect ondulatoire de la lumière, et l'aspect corpusculaire. La mécanique quantique est bien étrange parfois.

Je viens de lire les Particules élémentaires sur Wiki. Je voyais une particule comme étant un ch'ti bout de matière mais apparement, ce n'est pas forcement cela.

Plus j'en apprends sur la physique quantique, plus je m'aperçois que l'on ne sait pas grand chose de notre univers finalement.

Je viens de voir l'experience qui prouve la dualité onde-corpuscule. Si la lumière est une onde et que des particules très petites (style boson de Higgs) existent, la lumière ne serait-elle pas à même de les propulser sur la plaque ?

Vous parlez de la diffraction ?