Paris, 11 mai 2011

Quand la vitesse de la lumière dépend de sa direction

La lumière ne se propage pas à la même vitesse dans toutes les directions sous l'effet d'un champ électro-magnétique. Cet effet contre intuitif, mais prédit par la théorie, vient pour la première fois d'être vérifié expérimentalement dans un gaz par une équipe du Laboratoire « Collisions agrégats réactivité » (CNRS / Université Paul Sabatier – Toulouse 3). Les chercheurs ont mesuré avec une extrême précision, de l'ordre du milliardième de m/s (1), l'écart entre les vitesses de propagation de la lumière dans un sens et dans le sens inverse. Ces résultats ouvrent la voie à des recherches plus poussées visant à améliorer le modèle qui décrit les interactions entre particules élémentaires. Publiés le 11 mai 2011 dans la revue Physical Review Letters, ils laissent entrevoir des applications inédites en optique.
Dans le vide absolu, la lumière se propage à une vitesse constante égale à 299 792 458 m/s. Le fait qu'elle se déplace à une même vitesse dans toutes les directions paraît naturel. Or, contrairement à notre intuition, il existe des cas de figure pour lesquels cette propriété n'est pas vérifiée, notamment lorsqu'un champ électrique et un champ magnétique sont appliqués. Ces cas sont prédits par la théorie depuis la fin des années 70 et devraient même être observés dans le vide. Mais ces variations, très faibles, sont difficiles à vérifier expérimentalement.

Aujourd'hui, les avancées technologiques permettent de détecter ces effets dans un gaz (en l'occurrence l'azote). Pour les observer, des chercheurs du CNRS et de l'Université Paul Sabatier ont conçu une cavité optique (2) dans laquelle les faisceaux lumineux traversent un dispositif comportant des aimants et des électrodes, qui permettent de générer des champs électrique et magnétique intenses (le champ magnétique appliqué est 20 000 fois plus élevé que celui de la Terre). Ils sont ainsi parvenus à montrer, pour la première fois expérimentalement, que la lumière ne se propage pas à la même vitesse selon qu'elle se dirige dans une direction ou bien en sens inverse, dans un gaz où règne un champ électro-magnétique. La différence de vitesse mesurée est d'environ un milliardième de m/s (soit 10-9 m/s, ce qui équivaut à 10-18 fois la vitesse de la lumière). Cet écart infime, prédit par la théorie, est causé par les champs magnétique et électrique.

Ces résultats ouvrent plusieurs perspectives. D'une part, ils pourraient permettre de pousser plus loin les mesures de l'anisotropie de la propagation lumineuse. En augmentant la sensibilité du dispositif de mesure, les chercheurs pourraient, un jour, observer des défaillances infimes de l'invariance de Lorentz, qui est une symétrie fondamentale exprimée dans le cadre de la théorie de la relativité. Ceci permettrait de tester certaines propositions théoriques pour améliorer le modèle standard (modèle qui décrit aujourd'hui l'ensemble des interactions entre particules élémentaires). D'autre part, une telle anisotropie directionnelle régie par un champ électro-magnétique laisse présager des applications inédites en optique, comme des composants dont le comportement diffèrerait selon la direction, le tout étant contrôlé par le champ magnétique.

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Paris, 20 septembre 2011

Vers des accéléromètres à atomes froids de plus grande précision

Pour la première fois, une équipe de physiciens français (CNRS, Institut d'Optique Graduate School, Observatoire de Paris, ONERA, UPMC, Université Paris-Sud et Université de Bordeaux), soutenue par le CNES et l'ESA, a réussi à mettre au point un accéléromètre à atomes froids résistant aux vibrations. Testé lors d'un vol parabolique, ce prototype a pu mesurer des accélérations infimes, ce qui n'était possible jusqu'ici qu'en laboratoire. De quoi espérer développer bientôt des accéléromètres à atomes froids transportables et ainsi perfectionner les systèmes de positionnement et la prospection géologique, ou encore tester directement des volets de la relativité d'Einstein. Ces résultats sont publiés dans Nature communications.
Les accéléromètres atomiques offrent une précision nettement supérieure aux accéléromètres traditionnels, employés notamment dans les smartphones ou à bord des satellites et des navires. Hélas, ils doivent leur fragilité à leur principe même de fonctionnement : ils utilisent des atomes refroidis par laser à une température proche du zéro absolu. Les atomes manifestent alors un comportement ondulatoire, comme les faisceaux lumineux, permettant de réaliser des interféromètres à ondes de matière extrêmement sensibles aux accélérations. C'est cette particularité qu'exploitent les accéléromètres atomiques, mais au prix d'une complexité expérimentale diabolique et d'une extrême sensibilité aux vibrations.

Les faire fonctionner à bord de l'Airbus « A300 ZERO-G » de la société Novespace, qui décrit des paraboles dans le ciel pour reproduire la microgravité, relevait donc de la gageure. Pour y parvenir, l'équipe de chercheurs a inventé une technique inédite en croisant les données issues de l'accéléromètre atomique avec celles d'accéléromètres conventionnels. Cela leur a permis de mesurer l'accélération de l'avion avec une précision plusieurs centaines de fois supérieure aux autres accéléromètres à partir d'un signal pourtant extrêmement bruité en raison des secousses permanentes.

La démonstration de la viabilité de cet accéléromètre atomique en conditions difficiles ouvre la voie à une exploitation commerciale. Le modèle utilisé en vol était volumineux (4 m3), mais les scientifiques du CNRS en ont développé depuis une version transportable, de la taille d'une malle. Commercialisée dès l'an prochain, elle est destinée avant tout aux laboratoires de recherche en géophysique. En effet, toute variation dans la composition de la croûte terrestre se reflète dans le champ de pesanteur local : en cartographiant finement ce champ sur le terrain à l'aide d'un accéléromètre atomique, on pourrait identifier des filons minéraux, surveiller l'activité sismique ou volcanique du sous-sol, contrôler la sécurité de puits de pétrole…

Sur le plan de la recherche fondamentale, l'accéléromètre va servir à tester le principe d'équivalence de la relativité générale, selon laquelle l'accélération de la gravité est la même pour tous les objets. C'est d'ailleurs pour cette raison que les chercheurs ont veillé à rendre leur instrument capable d'encaisser des vols paraboliques, au cours duquel l'appareil se trouve brièvement en microgravité. Le principe d'équivalence sera mis à l'épreuve lors de prochaines expériences en vol, mettant en scène deux accéléromètres atomiques fonctionnant avec des atomes de nature différente. Les scientifiques chercheront ainsi à savoir si les accéléromètres donnent strictement les mêmes résultats. Une réponse affirmative signifierait qu'Einstein avait raison.

Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du projet ICE (Interféromètre Cohérence dans l'Espace) qui est une collaboration entre :

- le Laboratoire Charles Fabry (Institut d'Optique Graduate School, CNRS, Université Paris-Sud)

- le Laboratoire Photonique Numérique et Nanosciences (Université Bordeaux 1, Institut d'Optique Graduate School, CNRS)

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Suivre les réactions entre les atomes en les photographiant avec des lasers

"Les progrès de l'optique ont conduit à des avancées significatives dans la connaissance du monde du vivant. Le développement des lasers impulsionnels n'a pas échappé à cette règle. Il a permis de passer de l'ère du biologiste-observateur à l'ère du biologiste-acteur en lui permettant à la fois de synchroniser des réactions biochimiques et de les observer en temps réel, y compris in situ. Ce progrès indéniable a néanmoins eu un coût. En effet, à cette occasion le biologiste est (presque) devenu aveugle, son spectre d'intervention et d'analyse étant brutalement réduit à celui autorisé par la technologie des lasers, c'est à dire à quelques longueurs d'onde bien spécifiques. Depuis peu, nous assistons à la fin de cette époque obscure. Le laser femtoseconde est devenu "" accordable "" des RX à l'infrarouge lointain. Il est aussi devenu exportable des laboratoires spécialisés en physique et technologie des lasers. Dans le même temps, la maîtrise des outils de biologie moléculaire et l'explosion des biotechnologies qui en a résulté, ont autorisé une modification à volonté des propriétés - y compris optiques - du milieu vivant. Une imagerie et une spectroscopie fonctionnelles cellulaire et moléculaire sont ainsi en train de se mettre en place. L'exposé présentera à travers quelques exemples, la nature des enjeux scientifiques et industriels associés à l'approche "" perturbative "" du fonctionnement des structures moléculaires et en particulier dans le domaine de la biologie. "

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L'univers étrange du froid : à la limite du zéro absolu

Au voisinage du zéro absolu de température, la matière se transforme, adoptant des comportements que notre intuition a de la peine à appréhender. Certains gaz liquéfiés deviennent superfluides, s'échappant du réservoir qui les contient comme s'ils défiaient la pesanteur. La supraconductivité apparaît dans les métaux et donne lieu à des courants électriques permanents, utilisés aujourd'hui pour la production de champs magnétiques intenses. L'explication de ces phénomènes étranges apporte un nouvel éclairage dans des domaines que l'on aurait crus très éloignés, comme la dynamique des étoiles à neutrons ou l'évolution de l'Univers après le Big Bang, contribuant ainsi à établir des concepts physiques fondamentaux. Pour atteindre des basses températures qui n'existent pas dans la Nature, les chercheurs ont mis au point des méthodes de réfrigération sophistiquées. Celles-ci ont ouvert un nouveau domaine de recherche, la Physique des très basses températures, particulièrement riche en phénomènes physiques nouveaux qui constituent la source d'applications technologiques de pointe. Au cours d'une promenade à la limite du zéro absolu de température nous explorerons ensemble le royaume du froid.

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