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)