Le principe du refroidissement des atomes par laser

Qu'est-ce que la température des atomes ?

Absorption et émission spontanée

Ralentissement laser

Au delà du ralentissement


Qu'est-ce que la température des atomes ?
La température des atomes est liée à leur vitesse. Plus un atome se déplace rapidement, plus il est chaud. Refroidir un atome est donc synonyme de ralentir un atome. À température ambiante, la vitesse d'un atome dans un gaz est de l'ordre de 150 m/s (500 km/h). Grâce aux techniques de refroidissement laser, le physicien sait maintenant ralentir certains atomes à des vitesses de l'ordre du cm/s, voire moins (quelques dizaines de mètres à l'heure).

Absorption et émission spontanée
Dans le processus de refroidissement des atomes avec un laser, c'est la lumière des lasers qui freine les atomes, et plus particulièrement l'interaction entre les photons et l'atome.
Lors du processus d'absorption, un photon (bleu) est absorbé par un atome dans son niveau fondamental (vert). L'atome passe alors dans un état excité (rouge). Mais ce nouvel état n'est pas stable, et au bout d'un temps qui dépend de l'état excité, un photon est ré-émis par l'atome (émission spontanée). Une des particularités de l'émission spontanée est que le photon peut être ré-émis dans n'importe quelle direction, sans corrélation avec le photon absorbé au départ.


Ralentissement laser
Chaque photon d'un laser transporte une faible quantité de mouvement. Lorsque un photon est absorbé par l'atome, il donne cette quantité de mouvement à l'atome. En d'autres termes, si un photon rencontre de front un atome, celui-ci est ralenti: on appelle cette force la force de pression de radiation.
L'effet individuel d'un seul photon est infinitésimal, mais les millions de photons par seconde délivrés par un laser suffisent à freiner l'atome. L'effet peut être comparer aux molécules d'air freinant un véhicule en roue libre: une seule molécule serait bien incapable d'avoir la moindre influence sur la vitesse du véhicule, tandis qu'un vent de millions de molécules est capable de le freiner. Dans l'animation ci-contre, le flux de photons émis par le laser (en bleu, à gauche) est absorbé par l'atome (en orange). Ces photons sont ré-émis dans une direction aléatoire, si bien que leur contribution à la vitesse de l'atome s'annule.


Au delà du ralentissement ...
On se rend compte que dans le schéma ci-dessus, une fois les atomes arrétés, la force continue de s'appliquer. Par conséquent, l'atome fait demi-tour et accélère. Pour refoidir les atomes (c'est à dire les arréter durablement), il faut utiliser des astuces supplémentaires. Ces raffinements permettront de refroidir un gaz (mélasse Doppler) puis de rassembler les atomes dans un espace restreint (piège magnéto-optique).