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Précurseurs

Avril 2012

Au LAL et pour mes potes

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- Historique

- Expériences

1969, 1984,1991, 2004, 2006, 2008, juin 2011, octobre 2011

- Les photons serpentiles

- Effet Mossbauer

- Que faut-il en penser?

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historique

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Quelle vitesse pour un paquet d’onde?

En fait on peut définir au moins 7 vitesses

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Brillouin : c/n(0)Pulse principal : vitesse de groupe

temps

Sommerfeld : c

Fin du 19ème: vitesse de groupe est la vitesse préférée.

Mais pour les énergies au dessus d’une résonance cette vitesse peut dépasser c.

1905: v < c => Sommerfeld et Brillouin en 1914 introduisent les précurseurs

L’idée est que rien ne va plus vite que c

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1- Les prédictions théoriques sont basées sur un milieu avec une résonance 0.

2- Le précurseur de Sommerfeld est de fréquence > 0 et se propage à c. Son amplitude est très faible devant le pulse principal (10-7 ?).

3- Le précurseur de Brillouin est de fréquence < 0 et se propage à la vitesse c/n(0). Son amplitude est plus faible que celle du pulse principal (10-4 ?) mais bien plus grande que celle de Sommerfeld.

3- Les précurseurs ont des durées très faibles de l’ordre de quelques oscillations (≈10fs pour le visible).

4- Les précurseurs sont moins absorbés que le pulse principal (amplitude en x-1/2 au lieu d’une exponentielle décroissante) ce qui fait qu’après une épaisseur importante de matière il n’y a plus que les précurseurs et ceci entraînerait des applications militaires (communication avec les sous marins, radar à travers les nuages, les feuillages…) et civiles (imagerie médicale, scanners aéroports) mais aussi des effets des micro ondes des téléphones mobiles, plus délétères que prévu.

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Dans les années 1990 des erreurs sont trouvées dans les calculs de 1914 :(K. E. Oughstun and G. C. Sherman, Electromagnetic Pulse Propagation in Causal Dielectrics (Springer-Verlag, Berlin, 1994)). En particulier les amplitudes des précurseurs sont revues à la hausse. Tellement qu’il se pourrait qu’ils deviennent plus grands que le pulse initial… ???Après les prédictions théoriques de 1914 il faut attendre 55 ans (1969) pour avoir une première expérience dans le domaine des micro ondes.

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Les expériences

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1969: micro ondes GHz

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Coaxial empli d’un ferromagnetic. La relation de dispersion ressemble, parait-il, à celle de la figure 1 et les fréquences caractéristiques dépendent du champ magnétique appliqué. Il y a une bande interdite.

La relation habituelle pour l’indice est

qui est négative pour

Si on prend les choses au pied de la lettre un indice négatif fait rebrousser chemin (la vitesse change de signe) et donc empêche la pénétration.

La variable k est obtenue par

220

2

1

a

n

20

20 a

cnk

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Dans la bande interdite on voit les hautes fréquences de Sommerfeld et les basses fréquences de Brillouin.

La fréquence de départ (0.6GHz) ne passe pas…Mais moi j’ai l’impression que si !

Je ne sais pas où se trouve la fréquence de base par rapport aux fréquences types mais il parait que le fondamental passe et qu’on voit bien le précurseur de Brillouin au début de la trace.

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1984: drôles de trucs à comparer à Mossbauer?

Et aussi il s’agit d’un gaz

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= 0.58 m

Ma conclusion en voyant ça?

Comme il y a plusieurs temps de transit pour une même énergie et une même longueur alors…

Il y a plusieurs indices de réfraction et ils sont quantifiés!

Remarquez aussi la très faible atténuation même pour :

0l = 400

50cm

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1991- A travers un semi conducteur sur une résonance exciton

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CCF = Cross Correlation Function

≈ 0.8 m

La largeur de la résonance est 4 10-4

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2004 Expérience dans l’eau

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C’est la manip qui ressemble le plus à ce qu’on attend!

MAIS…

faute! C’est l’amplitude qui est en 1/z1/2 la transmission, elle, doit aller comme 1/z

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il y a des critiques!

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Cette critique est sympa mais néanmoins, à mon avis, contrairement à ce qu’elle veut montrer elle pointe le fait que les données ne sont pas très différentes d’une exponentielle.

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Cette critique est plus sévère! Elle dit et montre que la structure d’absorption à 760nm, crée deux pics en temps.

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2006 : gaz d’atomes potassium froids sur une résonance étroite à 770nm et donc des indices très gros (par le calcul autour de 104). Pour parcourir 2mm le photon demande à peu près le temps sur 20m de vide soit 70ns.

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Magneto Optic TrapMach-Zehnder Modulator

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2008 dans un milieu « slow light » Rubidium froid

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C’est un « précurseur » de la manip de 2011 mais je n’ai pas étudié cette manip

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Juin 2011: photon unique sur un gas de Rubidium froid

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Je n’ai pas encore eu le temps d’analyser cette manip qui semble être parfaite au moins en ce qui concerne l’accord entre théorie et expérience

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Octobre 2011: résonance géométrique

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= 1.5 m

LR = 220 cm

La largeur de la résonance est de l’ordre de 10-8

Il faut faire une simulation avec les photons qui passent directement et ceux qui font des tours et voir comment on peut obtenir ces résultats.

En tout cas on ne voit pas bien où sont les précurseurs

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Les photons serpentiles

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Interprétation particules en optique quantique

http://www.bibsciences.org/bibsup/opt-coll/pub/4/pdf/t4p301.pdfLes lasers et leurs applications scientifiques et médicalesSources laser femtosecondes (1994?)A. Brun et P. GeorgesInstitut d'Optique Théorique et Appliquée, URA 14 du CNRS, Université ParisSud, BP. 147, 91403 Orsay cedex, France5.2. Imagerie en milieu diffusant utilisant l'amplification paramétrique optiqueConsidérons un milieu diffusant éclairé par une impulsion lumineuse très courte. Il existe unecertaine probabilité (faible) pour que des photons puissent traverser le milieu sans être déviés.On les appelle des photons balistiques qui peuvent apporter le plus d'informations sur lanature du milieu ou sur son contenu (figure 14). II existe une autre classe de photons qui sontpeu dévies de leur trajectoire en traversant le milieu et qui sortent a peu près colinéaires auxphotons balistiques, on parle de photons "serpentiles". Ils peuvent également apporter desinformations utiles sur la structure interne du milieu mais avec une résolution spatiale limitéepar leurs déviations a la trajectoire des photons balistiques. Finalement, les photons diffusescontribuent au bruit et doivent être éliminés de tout système de détection. Ce sont les plusnombreux car la probabilité de diffusion est très grande. En notant que les photons balistiques(les moins nombreux) vont sortir les premiers du milieu, suivis par les photons serpentiles et enfin par les photons diffuses, on peut penser utiliser une porte ultra rapide et amplificatricedestinée, d'une part a sélectionner temporellement les photons désirés, et d'autre part, a lesamplifier.

Enfin une image simple!

Remarque:Remarque:Collection gratuite d’articles sur les lasershttp://www.bibsciences.org/more.php?rub=opt-coll&cont=tdmchrono

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Pour realiser une telle porte ultra rapide et amplificatrice nous avons developpe" un amplificateur parametrique optique (APO). Son schema de principe est repr6sente" sur la figure 15. Partons d'une chame laser femtoseconde amplifiee a partir de saphir dope au titane comme deja decrit. Elle fournit des impulsions de 150 fs, 2 mJ a 780 nm. Elles sont ensuite doublees en frequence dans un cristal de BBO avec un rendement de 30 %. Le faisceau double a 390 m (2co) pompe un APO base sur un deuxieme cristal non lineaire de BBO, tandis que le faisceau restant a 780 nm (co) est utilise comme signal. Get APO subpicoseconde travaille donc a la degenerescence et se comporte comme une porte ultra rapide amplificatrice car le gain parametrique est instantane. Il est possible d'amplifier des signaux de tres faible energie avec un gain qui peut atteindre 104 sans optimisation du montage. Nous avons detecte un signal ayant traverse une densite optique de 9, <ie qui correspond a un faisceau injecte de 1 pJ. En dessous de ce niveau d'injection, la fluorescence parame'trique devient preponderante et il est impossible de discerner le signal du bruit. L'APO a alors etc utilise pour realiser de 1'imagerie dans une cuve remplie d'une solution de billes de latex fortement diffusante (chaque photon y subit environ 20 diffusions) derriere laquelle nous avons cache une mire. Cet ensemble est positionné sur la voie signal à la place des densités neutres. Une résolution spatiale de l'image meilleure que 300 m a été obtenue, ce qui est très prometteur (figure 16). On espère augmenter par la suite la sensibilité de détection et réaliser des tests sur des tissus biologiques.

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Effet Mossbauer

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Ce photon de 122 keV est utilisé comme trigger

Le cobalt devient du Fer par capture d’un électron

Ça au moins ça doit faire des indices maousses

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Que faut-il en penser?

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1- L’armée a laissé tomber les études sur ce sujet en décembre 1992!

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2- La nouvelle théorie de 1994: K. E. Oughstun and G. C. Sherman, Electromagnetic Pulse Propagation in Causal Dielectrics (Springer-Verlag, Berlin, 1994) est incompréhensible pour un physicien normal

- On est à plus de la moitié du bouquin et les auteurs continuent les promenades dans le plan complexe (qui porte bien son nom).

- Les prédictions sur les caractéristiques des précurseurs ne sont données que pour quelques cas à la fin des 450 pages

- Il n’y a pas de descriptions des mesures expérimentales déjà existantes sur les précurseurs, donc pas de comparaisons de cette nouvelle théorie avec les data.

C’est à mon avis un cas type de la physique de la deuxième moitié du 20ème siècle: beaucoup de math peu de mesures

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3- Il existe des approches particules avec les photons balistiques, serpentiles et diffusés. En plus cette approche a des débuts d’applications qui marchent comme de voir des objets derrière des murs http://soc.li/GdN9djb ou dans le brouillard…

A priori il n’y a rien de commun entre la vision onde de Sommerfeld et cette vision particule1- Il faudrait passer beaucoup de temps pour comprendre toutes ces manips mais je ne crois pas aux précurseurs en tant que tels: se propageant à c, puis c/n(0) avec une atténuation en 1/x.

2- Si on observe dans un gaz les slims alors on peut nous dire que ce sont les précurseurs. Il me semble donc important de montrer qu’ils n’existent pas dans un gaz.

3- la faible atténuation du nombre de photons à la traversée d’un gaz est un sujet très intéressant en 1984 dans les vapeurs de sodium