mercredi 8 décembre 2004

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Mercredi 8 décembre 2004

Lumière et photon :

onde et corpuscule

Jean-François RochDépartement de physique de l’ENS Cachan

Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire - UMR CNRS 8537

roch@physique.ens-cachan.fr

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Plan de l’exposé

A. Un peu d’histoire

B. Emission de photon unique à la demande

C. Dualité du photon

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Un peu d’histoire pour débuter...Antiquité (Egypte, Grèce) : particules

Epicure, Aristote, EuclideMoyen-âge, renaissance : ingénierie optique

Al-Hazen, Roger Bacon XIIIe siècleLeonard de Vinci, Galilée)

XVIIe siècle : ondes, comme des rides sur l’eau

Huygens, pas de notion d’addition dépendant de la phase relative des vibrations

Newton : particules modèle sophistiqué, anneaux de Newton“OPTICKS, or a treatise of the reflexions, refractions,

inflexions and colours of light” (1704)My design in this book is not to explain the properties of light by hypotheses, but to propose and prove them by reason and experiments.

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XIXe siècle : triomphe des ondes

interférences, diffraction, polarisation

Thomas Young(1773-1829)

Augustin Fresnel(1788-1827)

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Au tournant du XXe siècle

James Clerk MAXWELL (1870)La lumière est un champ électromagnétique, donc une onde, qui se propage avec une célérité de 300 000 km/s (Foucault, Fizeau)

Lord KELVIN (avril 1900)la physique est une science achevée avec “deux petits nuages dans le ciel bleu”

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Photons : corpuscules de lumière !

Max PLANCK (1900)Etude du rayonnement thermiqueLumière et matière échangent l’énergie sous forme de quanta discrets d’énergie

Albert EINSTEIN (1905-1917)Effet photoélectriqueThermodynamique de l’équilibre entre matière et lumièreLa lumière est composée de quanta, les photons, d’énergie E=hv, de masse nulle et de quantité de mouvement p=hv/c

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Un concept difficile à admettre...Ce concept de “photon” fut très difficilement admis par les physiciens, jusqu’à l’existence de preuves expérimentales irréfutables

“ I spent ten years of my life testing the 1905 equation of Einstein’s. Contrary to all my expectations, I was compelled in 1915 to assert its unambiguous experimental verification in spite of its unreasonableness, since it seemed to violate everything that we knew about the interference of light.”

Etude de l’effet photoélectriqueRésultats en accord total avec la description corpusculaire proposée par Einstein en 1905

Robert A. MILLIKAN (1915)

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Photon : onde ou/et corpuscule ?

Comment réconcilier le photon avec les phénomènes ondulatoires, et en particulier les expériences d’interférences ?

La lumière est une onde qui peut interférer, mais elle est également constituée de particules qui ont une énergie et une quantité de mouvementDe même, des particules comme les électrons peuvent se comporter comme des ondes et produire des interférences

Etats à un photon

P. Grangier, G. Roger, et A. Aspect, Europhys. Lett. 1, 173 (1986)

Ph. Grangier and A. Aspect (1986)

expérience “textbook”

d’interférence à un photon

paquet d’ondescohérent

à un photon

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Plan de l’exposé

A. Un peu d’histoire

B. Emission de photon unique à la demande

C. Dualité du photon

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Fluorescence et émission de photon

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Emission d’une source “classique”

Gyorgy LIGETI

Mechanical Music (1963)"poème symphonique pour 100 métronomes"

Pourquoi n’observe-t-on pas usuellement ce caractère corpusculaire ?Emission simultanée et indépendante d’un grand nombre de centres émetteurs

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Mais cependant...

L’émission “photon par photon” est a priori observable sur un émetteur unique, isolé. En 1952, Erwin Schrödinger pensait que la manipulation des objets microscopiques uniques était quelque chose d’irréaliste.

“We never experiment with one electron, or atom or molecule. In thought-experiments, we sometimes assume that we do. This invariably entails ridiculous consequences...” British Journal of the Philosophy of Science (1952)

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Détection de molécule uniqueMicroscopie confocale

Filtreréjectif

échantillon

Objectif demicroscope

x 100, ON=1.4

Miroir dichroïque

diaphragme50 μm

Module comptage de photon

APD Si

“scanner” piezo. x,y,z

Laser d’excitation

filtrage spatial

et spectral (décalage Stokes)

efficaces

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

Intensité normalisée

700600500400Longueur d'onde (nm)

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Fluorescence de molécule unique

Nombre fini de cycles

absorption émission

80

60

40

20

02520151050

Time (s)

bin=2ms

terrylène dans

un film de PMMA

verre

PMMA ~30nm

1 molécule sur 10 μm2

10

20

30

40

1020

3040

20

40

60

80

100

20

40

60

80

100

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Centres colorés N-V du diamantatome d’azote (N) comme impureté et lacune (V) dans le site adjacent du réseau cristallin Spectre de fluorescence

excitation à 514 nm

R1, R2 = Raman scatteringZPL = Zero Phonon Line

(637 nm)

molécule “artificielle”parfaitement photostable à

Tambiant

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Emission dans le diamant massif

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Extraction efficace des photons émis

Avantages des nanocristaux : - Efficacité de collection de la lumière plus grande.- Moins de lumière parasite de la matrice.- Adaptés à une optimisation de l’efficacité de collection des photons émis par le centre N-V du nanocristal.

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Nanodiamants (Th. Gacoin, PMC-X)Poudre de diamant synthétique (de Beers, type Ib) taille inférieure à 5 microns

lamelle de microscopesilice, miroir, etc.

solution colloïdale+ sélection en

taille

4 étapes

nanoparticules disperséesdiamètre typique : 90 nm

spin-coating

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Préparation des échantillons

• L’azote est initialement présent• Irradiation électronique pour créer les lacunes• recuit à 800°C• desagrégation des particules (acide+ultrasons, propanol +PVP)

• centrifugation (sélection en taille)

• Technique issue de la purification des nanotubes de carbone

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Taille des nanoparticules de diamant

Mesure par diffusion de lumière

paramètre de contrôle:

vitesse de centrifugatio

n

Pas de particules de taille inférieure à environ 20 nmDes tailles plus petites peuvent être produites par détonation d’explosifs !

CW or PulsedExcitation

Diamondsample

PinholeØ100µ

Filters

Dichroicmirror

z

Spectrometer Delay

Confocal Microscope

Photon Counting Devices

g(2)(τ)

50/50-Beam

splitter

Avalanchephotodiodes

- -Time toAmplitudeconverter

Dispositif expérimental

Le fond de fluorescence finir par disparaître par photoblanchiment Seul le centre coloré survit !

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Plan de l’exposé

A. Un peu d’histoire

B. Emission de photon unique à la demande

C. Dualité du photon : biprisme de Fresnel

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Interférences à un photon

SPUSPU ICCDICCD

QuickTime™ et undécompresseur Video

sont requis pour visionner cette image.

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Par quelle voie passe le photon ?

SPUSPUAPD 2APD 2

APD 1APD 1

StopStopTACTACStartStart

AnalyseurMulticanalAnalyseurMulticanal

QuickTime™ et undécompresseur Video

sont requis pour visionner cette image.

Histogramme des coïncidences

Histogramme des coïncidences

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Impulsions laser atténuées Statistique des photons : distribution de Poisson

QuickTime™ et undécompresseur Video

sont requis pour visionner cette image.

Histogramme des coïncidencesHistogramme

des coïncidences

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Paramètre de corrélation

A

BC

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Conclusion

- Le débat sur la nature de la lumière a joué un rôle fondamental dans l’histoire de la physique

- Le concept de “photon”, introduit de manière heuristique par Einstein en 1905, se comprend aujourd’hui à travers la dualité onde/corpuscule- Ces études fondamentales sont à la base de dispositifs originaux qui commencent à trouver des débouchés (presque...) commerciaux. La manipulation du photon est aujourd’hui devenue un sujet de physique appliquée !Elle est également à la base d’un nouveau domaine : l’information quantique

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Mes plus vifs remerciementsà tout le groupe “Nanophotonique quantique”

à Ph. Grangier et A. Aspect (Institut d’Optique)

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Merci pour votre attention

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Un peu d’histoire pour débuter...Antiquité (Egypte, Grèce) : corpuscules

Epicure, Aristote, EuclideMoyen-âge, renaissance : début de l’ingénierie optique (Al-hazen, Roger Bacon XIIIe siècle )

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Lunette de Galilée (vers 1609)

Démarche purement pragmatique

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Une expérience fondamentale

Ptolémée (vers 140 a.c.), Kepler (1610), Snell (1620), Descartes (1637)

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Lois de la réflexion et de la réfractionPose le problème de la nature de la lumière, et provoque un vif débat au cours du XVIIe siècle

Descartes: flux de particules auxquelles on peut appliquer les lois de la mécanique

Dioptrique (1637)

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L’apport de Christian Huygens

Traité de la lumière (Leyden, 1690)Considère la lumière comme une perturbation se propageant dans un milieu appelé “éther”Analogie avec des vagues à la surface de l’eau

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Newton et la lumière

“OPTICKS, or a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light” (1704)My design in this book is not to explain the properties of light by hypotheses, but to propose and prove them by reason and experiments.

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Couleurs des lames minces

Robert Hooke18 juillet 1635 (île de Wight)

3 mars 1708 (Londres)

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Une des contributions de Newton

Lorsqu’on éclaire le coin,on observe une série d’anneaux concentriques,alternativement sombreset brillants

Dispositif aujourd’hui connu sous le nom d’anneaux de NewtonFormation d’un “coin d’air”

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Anneaux de Newton

En éclairant le coin avec diverses couleurs du spectre d’un prisme, les anneaux s’élargissent ou se contractent.Les anneaux de lumière rouge sont plus grands que les anneaux de lumière bleue.

La présence de ces anneaux démontre que la lumière fait intervenir un phénomène périodique, directement lié à la couleur.Newton continue cependant à appuyer un modèle corpusculaire de la lumière (théorie de l’émission)