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Lycée Brizeux - Quimper - 25 janvier 2008
Un aperçu du monde quantique
Dualité onde-corpuscule
pour un photon unique
Jean-François Roch
Laboratoire de Photonique
Quantique et Moléculaire,
Ecole Normale Supérieure de Cachan
UMR CNRS 8537
roch@physique.ens-cachan.fr
1La lumière à travers les âges
Antiquité (Égypte, Grèce): particules
émises vers l’œil ou depuis l’œil
(Epicure, Aristote, Euclide)
Moyen âge, renaissance:
ingénierie - camera obscura,
lunettes correctrices,
lunette astronomique
(Al Hazen, Bacon, Leonard de
Vinci, Galilée, Tycho Brahe…)
e
! Newton
XVII siècle:
(Opticks,
Ondes
1702):
(analogie
particules
« ronds dans
(couleurs
l’eau»):
diverses)
Huyghense
XIX siècle : triomphe
du modèle ondulatoire
Young - Fresnel (1822)
interférence, di"raction,
polarisation : la lumière
est une onde transverse
Maxwell (1870):
la lumière est
une onde
électromagnétique
comme les ondes radio
Lord Kelvin (1900): “La fin de la
physique” mis à part deux détails!Les deux nuages de Lord Kelvin
“The beauty and clearness of the dynamical theory [...] is
at present obscured by two clouds.
I - The first came into existence with the undulatory theory of
light […]; it involved the question, How could the earth move
through an elastic solid, such as the luminiferous ether?
II - The second is the Maxwell-Boltzmann doctrine regarding
the partion of energy”
spectre du corps noir
5000K
4000K
3000K
Th´eorie de la relativit´e (1905)
fr´equence de radiation
MaxPlanck
intensit
´
e
de
radiatione
Début XX siècle : les photons
ou le retour des particules
Max Planck (1900)
Etude du rayonnement du corps noir
Lumière et matière échangent l’énergie
sous forme de “paquets” d’énergie
E =h×(fr´equenceν)
Albert Einstein (1905). Lumière constituée
de quanta, grains élémentaires ayant :
– ´energie E =h×(fr´equenceν)
– quantit´e de mouvement p= h×ν/c
quanta baptisés “photons” en 1926
Comment réconcilier la description en terme de
particule avec les phénomènes ondulatoires
de diffraction et d’interférence ?Dualité onde-corpuscule
• Einstein (1909)
´energie E dans la bande de fr´equence (ν,ν +dν)
Fluctuations
3
8πhν 1
d’énergie du

E =V u(ν)dν avec u(ν) =
3 hν
c
exp −1
corps noir

kT
2
3
ΔE hν c
→ = +
2
E E 8πν Vdν

fluctuations en 1/ N
superposition al´eatoire
bruit de grenaille
d’ondes – “speckle”
de particules
La lumière est composée à la fois d’ondes
(capable d’interférer) et de particules
• Louis de Broglie (1923)
Les particules comme les électrons se
comportent comme des ondes de matière :
diffraction et interférences avec des particules.Dualité onde-corpuscule : fructueux !
Concept qui fonde la révolution quantique
Explique la structure de la matière et sa

stabilité, ses propriétés, les interactions entre
lumière et matière (spectroscopie)
Explique les propriétés “exotiques” :

superfluidité, supraconductivité, BEC
Permet d’inventer de nouveaux dispositifs :

transistor
laser
la physique
quantique
s’applique aux
systèmes
macroscopiques
Traduction au niveau d’une particule unique ?Comment se représenter cette dualité ?
comportement ondulatoire des particules
probabilit´e
P
trous d’Young
D
de d´etection
T
1
P
D
D
S
T
2
Particules émise une par
une, toutes “dans le même
quand on d´eplace le d´etecteur
état” : émission à partir
P
est modul´ee
D
d’un même point source,
direction aléatoire, énergie
si un des deux trous est ferm´e
déterminée
pas de modulation→P constant
D
Interprétation: chaque particule est décrite par une onde qui
passe par les deux trous et se recombine sur le détecteur
P d´epend de la diff´erence des cheminsΔ = ST D−ST D
D 1 2
8Interférence en lumière atténuée
Justification du régime “photon unique” :
distance moyenne entre photons grande
devant les dimension de l’expérience
Comportement
ondulatoire ?
Taylor 1906 Di"raction aiguille Plaque photo Oui
Dempster & Batho 1927 Réseau Oui
Janossy and Naray 1957 Michelson Photomultiplicateur Oui
Gri#ths 1963 Fentes d’Young Intensificateur Oui
Dontsov & Baz 1967 Fabry-Perot Non
Scarl et al. 1968 Fentes d’Young Photomultiplicateur Oui
Reynolds et al. 1969 Fabry-Perot Intensificateur Oui
Bozec et al. 1969 Plaque photo Oui
Grishaev et al. 1971 Interféro. de Jamin Oui
Zajonc et al. 1984 Interféro. à fibre Photomultiplicateur Oui
Alley et al. 1985 Interféro. à fibre Oui
Critère de comportement corpusculaire
d´etecteurs D et D
1 2
d´eclench´es
détection simpleP =0
1
al´eatoirement
T
D
1
1
taux moyen constant
détection en
mais pas de co¨ıncidences
coïncidence
S
P
C
D
2
T
2
P =0
C
Particules
P =0
détection simple
2
→ anti− corr´elation
émises UNE à la fois
Interprétation : une particule unique passe à travers le
trou T , ou le trou T , mais pas les deux simultanément.
1 2
Conforme à notre représentation classique d’une particule.
Expérience pas réalisée jusqu’en 1985 :

Caractère corpusculaire considéré comme “évident”
-
lorsque la distance moyenne entre particules est grande
devant la dimension de l’appareil.
10