comprendre la dualité onde-particule

Report
Le monde de l’infiniment petit
Bruno Lepetit
Chargé de recherches CNRS
Université Paul Sabatier
Diviser par 10
000
Diviser par 10
000
Le graphite au microscope…
Diviser par
100 000 000
Fullerene (1985)
Nanotube (1991)
Diviser par
100 000 000
Champ terrestre : 47 10-6 Teslas
10 Teslas
Graphène
Prix Nobel
2010
A. Geim, K. Novoselov
Ballet d’une grenouille
dans un
champs magnétique
(A. Geim, prix IgNobel 2000)
Graphène (2004)
Déposé sur un substrat
par exfoliation
Suspendu
sur une tranchée
ou un trou
500 nm
Graphène
Tenue mécanique exceptionnelle
Hamac (virtuel) de 1 m2 : 0.8 mg
Résiste au poids d’un chat (4 kg)
Application possible
Détecteur de gaz NEMS
(NEMS : Nano Electro Mechanical System)
ULTRA-SENSIBLE
Sensibilité : zepto-gramme
( 1g divisé par 100 000 000 trois fois)
Graphène semi-métal
Assez bon conducteur :
les électrons peuvent passer
dans la bande de conduction
facilement,
Mais ils sont peu nombreux.
Graphène  Graphane
Graphène
Par collage d’hydrogène
Transformation radicale
des propriétés électriques :
Passage de l’état conducteur
à l’état isolant
Electronique Carbone ?
Graphane
La boite à outils
Les concepts de la mécanique quantique
Les ordinateurs
Les expériences
Histoire des concepts de la mécanique quantique
29 participants, 17 titulaires ou futurs prix Nobel
Le rayonnement
des corps
Image
avec une caméra infra-rouge
Dispersion de la
lumière émise
Catastrophe ultra-violette
Loi de Max Planck - 1900
Suppose que la lumière est produite par
paquets d’énergie discontinus reliés à la fréquence
Energie=h.f, 2 h.f, 3 h.f…
h=0.000000000000000000000000000000000662 J.s
Prix Nobel 1918
Apparition du quantum d’énergie
Bizarre !
L ’effet photoélectrique : Lenard -1902
Découverte expérimentale :
Un courant apparait
quand on éclaire
une plaque métallique
L ’effet photoélectrique : Einstein -1905
Une hypothèse : la lumière à la fréquence f est
composée de paquets (quanta) d’énergie hf
Energie électron = Energie photon – Travail sortie
Naissance du concept de Photon!
Prix Nobel 1921
L’énergie de l’électron ne dépend
que de la fréquence de la lumière,
Pas de l’intensité.
L ’effet photoélectrique : Millikan -1916
Prix Nobel 1923
Le rayonnement électromagnétique, typiquement ondulatoire,
devient aussi corpusculaire.
La structure de l’atome : Bohr - 1913
Formule de Balmer (empirique)
expliquée par le modèle de Bohr :
-Les atomes sont sur des orbites stables
d’énergies bien définies
- ils émettent un rayonnement de fréquence
f=ΔE/h
Prix Nobel 1922
Transition
of n
3→2
4→2
5→2
6→2
7→2
8→2
9→2
Name
H-α
H-β
H-γ
H-δ
H-ε
H-ζ
H-η
Waveleng
th (nm) [2]
656.3
486.1
434.1
410.2
397.0
388.9
383.5
364.6
Color
Red
Cyan
Blue
Violet
(Ultraviol
et)
(Ultraviol
et)
(Ultraviol
et)
(Ultraviol
et)
→2
Dualité onde-particule : de Broglie - 1924
Louis de Broglie propose que les particules
de matière (électrons par exemple) sont aussi
des ondes dont la fréquence f est donnée par
E/h
…Comme pour les photons d’Einstein
Prix Nobel 1929
La matière, typiquement corpusculaire, devient aussi ondulatoire.
L’équation d’onde : Schrödinger - 1926
HΨ=E Ψ
On se place dans un hyper-espace à 3N dimensions,
où N est le nombre de particules
Prix Nobel 1933
On ne sait pas exactement où se trouvent les particules
dans cet hyper-espace,
mais on connait les probabilités de présence
ici
ou ici aussi
ou ici
Principe d’incertitude: Heisenberg - 1925
Abandonner le concept de position :
on ne peut mesurer la position d’une particule avec une
précision infinie, de même que sa vitesse.
Plus on aura de précision sur la position,
moins on en aura pour la vitesse,
et vice versa : Δx.Δp≤h
Prix Nobel 1932
Les concepts de la mécanique quantique :
1. La dualité onde-particule
2. L’effet tunnel
3. La non-localité
L'expérience des fentes d'Young commentée :
comprendre la dualité onde-particule
Des particules (électrons, atomes, photons) devront passer
par l’une
des deux fentes pour atteindre l'écran
L'expérience des fentes d'Young commentée :
comprendre la dualité onde-particule
Ce que l’on observe si la première fente est fermée
L'expérience des fentes d'Young commentée :
comprendre la dualité onde-particule
Ce que l’on observe si la deuxième fente est fermée
L'expérience des fentes d'Young commentée :
comprendre la dualité onde-particule
Quand les deux fentes sont ouvertes, on s'attend à observer
ceci…
L'expérience des fentes d'Young commentée :
comprendre la dualité onde-particule
L'expérience des fentes d'Young commentée :
comprendre la dualité onde-particule
Un comportement
typiquement
ondulatoire
Interférences constructives
Interférences destructives
L'expérience des fentes d'Young commentée :
comprendre la dualité onde-particule
Fentes d'Young
Manuel Joffre 1.1
Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique,
application à la Microscopie
En physique classique :
l’exemple de la
montagne russe
Montagne russe
Chariot
Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique,
application à la Microscopie
Energie
cinétique
Si on fournit une vitesse
initiale trop petite au chariot …
Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique,
application à la Microscopie
Celui-ci fera demi-tour une fois sa
hauteur maximale atteinte et ne passera pas
de l’autre coté de la barrière de potentiel
Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique,
application à la Microscopie
Effet tunnel
Manuel Joffre 1.5
Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique,
application à la Microscopie
En 1981, G. Binnig et H. Rohrer construisent le microscope à effet tunnel
Microscopie
Manuel Joffre 1.6
Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique,
application à la Microscopie
Nickel
Images de la
microscopie tunnel
Platine
La non localité en mécanique quantique
La polarisation de la lumière
Le cinéma 3D :
2 films pris simultanément,
avec un écartement
correspondant à celui des yeux
2 images polarisées sur l’écran
Lunettes avec filtres polariseur
Chaque œil ne voit qu’une image
La non localité en mécanique quantique
Expérience de pensée Einstein-Podolski-Rosen
1935
Un atome émet 2 photons corrélés : un vers la gauche, un vers la droite
la polarisation de chaque photon est inconnue :
50 % de chance qu’elle soit H, 50 % de chance qu’elle soit V
MAIS
si je trouve le photon de gauche H : celui de droite est toujours V
si je trouve le photon de gauche V : celui de droite est toujours H
En d’autres termes :
Avant la mesure à gauche : l’état à droite est indéfini
Après la mesure à gauche : l’état à droite est défini
La mesure fait passer le
système d’une potentialité à une
réalité. Il y a une interaction non
locale instantanée.
Dieu ne joue pas aux dés. Il y a
des variables cachées qui
définissent complètement le
système dès l’émission des
photons.
Bohr et Einstein, 1930
La non localité en mécanique quantique
1964 : John Bell trouve une quantité B qui :
1. est mesurable
2. est inférieure ou égale à deux
si la théorie des variables cachées
d’Einstein est correcte
Quand l’expérience de pensée devient réalité…
Clauser - 1978
B=2.697 ± 0.05
La théorie quantique
est
non locale !
Aspect - 1982
Et maintenant…
Science  Technoscience
1. De la compréhension à la maitrise de la matière
à l’échelle du nanomètre  nanotechnologies
2. Maitrise de l’information et de son transport :
« téléportation quantique»
« cryptographie quantique »
« informatique quantique »…
Le test sans faille des inégalités de Bell
qui est au départ une expérience de nature philosophique
aura immédiatement une application pratique,
avec des retombées financières »
(Antonio Arcin)

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