le monde de linfiniment petit bruno lepetit chargé de recherches cnrs université paul sabatier

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Le monde de l’infiniment petit

Bruno Lepetit

Chargé de recherches CNRSUniversité Paul Sabatier

Diviser par 10 000 Diviser par 10 000

Le graphite au microscope…

Diviser par100 000 000

Diviser par100 000 000

Fullerene (1985)

Nanotube (1991)

Ballet d’une grenouille dans un

champs magnétique(A. Geim, prix IgNobel 2000)

Graphène

Prix Nobel2010

A. Geim, K. Novoselov

10 Teslas

Champ terrestre : 47 10-6 Teslas

500 nm

Graphène (2004)

Déposé sur un substrat par exfoliation

Suspendu sur une tranchée

ou un trou

Tenue mécanique exceptionnelle

Hamac (virtuel) de 1 m2 : 0.8 mg

Résiste au poids d’un chat (4 kg)

Graphène

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 Graphane

Par collage d’hydrogène

Transformation radicaledes propriétés électriques :

Passage de l’état conducteur à l’état isolant

Electronique Carbone ?

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

Catastrophe ultra-violette

Dispersion de la lumière émise

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

Apparition du quantum d’énergie

Bizarre !

Prix Nobel 1918

Découverte expérimentale :

Un courant apparait quand on éclaire

une plaque métallique

L ’effet photoélectrique : Lenard -1902

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!

L ’effet photoélectrique : Einstein -1905

Prix Nobel 1921

L’énergie de l’électron ne dépend que de la fréquence de la lumière,

Pas de l’intensité.

Prix Nobel 1923

L ’effet photoélectrique : Millikan -1916

Le rayonnement électromagnétique, typiquement ondulatoire, devient aussi corpusculaire.

Prix Nobel 1922

La structure de l’atome : Bohr - 1913

Transition of n 3→2 4→2 5→2 6→2 7→2 8→2 9→2 →2

Name H-α H-β H-γ H-δ H-ε H-ζ H-η

Wavelength (nm) [2] 656.3 486.1 434.1 410.2 397.0 388.9 383.5 364.6

Color Red Cyan Blue Violet(

Ultraviolet

)

(Ultraviolet)

(Ultraviolet)

(Ultraviolet)

Formule de Balmer (empirique) expliquée par le modèle de Bohr :

- Les atomes sont sur des orbites stablesd’énergies bien définies

- ils émettent un rayonnement de fréquence

f=ΔE/h

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

Dualité onde-particule : de Broglie - 1924

La matière, typiquement corpusculaire, devient aussi ondulatoire.

Prix Nobel 1929

L’équation d’onde : Schrödinger - 1926

Prix Nobel 1933

HΨ=E Ψ

On se place dans un hyper-espace à 3N dimensions, où N est le nombre de particules

On ne sait pas exactement où se trouvent les particulesdans cet hyper-espace,

mais on connait les probabilités de présence

ici

ou ici

ou ici aussi

Principe d’incertitude: Heisenberg - 1925

Prix Nobel 1932

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

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

Interférences constructives Interférences destructives

Un comportementtypiquementondulatoire

Fentes d'Young

L'expérience des fentes d'Young commentée : comprendre la dualité onde-particule

Manuel Joffre 1.1

Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique, application à la Microscopie

Montagne russe

Chariot

En physique classique :l’exemple de la montagne russe

Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique, application à la Microscopie

Energiecinétique

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

En 1981, G. Binnig et H. Rohrer construisent le microscope à effet tunnel

Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique, application à la Microscopie

Microscopie

Manuel Joffre 1.6

Nickel Platine

Effet tunnel, un phénomène impossible en physique classique, application à la Microscopie

Images de la microscopie tunnel

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-Rosen1935

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

Bohr et Einstein, 1930

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.

La non localité en mécanique quantique

1964 : John Bell trouve une quantité B qui :

1. est mesurable

2. est inférieure ou égale à deuxsi la théorie des variables cachées

d’Einstein est correcte

Clauser - 1978

Aspect - 1982

B=2.697 ± 0.05

Quand l’expérience de pensée devient réalité…

La théorie quantique est

non locale !

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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