Processus d'interaction entre photons et atomes

Le développement spectaculaire de nouvelles sources de rayonnement électromagnétique, couvrant un domaine de fréquences allant des ondes radio à l'ultra-violet lointain (lasers, masers, rayonnement synchrotron, sources millimétriques), a renouvelé considérablement l'intérêt porté aux processus d'interaction entre photons et atomes. De nouvelles méthodes sont apparues, permettant d'obtenir des informations de plus en plus précises sur la structure et la dynamique des atomes et des molécules, de contrôler leurs degrés de liberté internes et externes ou de générer de nouveaux types de rayonnements. Ces développements font qu'un nombre croissant de physiciens et de chimistes, de chercheurs et d'ingénieurs, s'intéressent aux processus d'interaction entre matière et rayonnement à basse énergie. L'ambition de cet ouvrage est de mettre à leur disposition les bases théoriques nécessaires pour aborder 1'étude de ces processus en partant d'un niveau en mécanique quantique et en électromagnétisme classique correspondant à celui de la maîtrise.

Un tel programme comporte naturellement deux volets. II faut, d'une

part, présenter le cadre théorique permettant de décrire la dynamique quantique du système global " champ électromagnétique + particules chargées non relativistes ", discuter le contenu physique de la théorie et les diverses formulations que l'on peut en donner. Ces problèmes sont

étudiés dans un volume déjà paru et intitulé "Photons et Atomes Introduction à l'Electrodynamique Quantique ". Il faut, d'autre part, montrer comment un tel cadre théorique permet d'analyser les processus d'interaction entre photons et atomes tels qu'ils apparaissent en physique atomique et moléculaire, en optique quantique et en physique des lasers. Tel est l'objet du présent volume intitulé " Processus d'Interaction entre Photons et Atomes". Les objectifs de ces deux volumes sont donc clairement distincts et, suivant ses préoccupations ou ses besoins, le lecteur pourra utiliser l'un, l'autre ou les deux volumes de cet ouvrage.

L'interaction électromagnétique gouverne les mouvements des électrons et des noyaux qui sont, à l'échelle de l'électron-volt, les constituants élémentaires de la matière. La compréhension des mécanismes d'interaction entre le champ électromagnétique et ces particules est donc fondamentale pour interpréter de très nombreux phénomènes dans notre environnement. Responsable de la cohésion des atomes et des molécules, et de leurs interactions mutuelles, l'interaction électro­ magnétique est aussi à l'origine de l'émission ou de l'absorption de rayonnement par ces systèmes. L'étude des propriétés de la lumière émise ou absorbée par les atomes et les molécules est d'ailleurs une source essentielle d'informations sur la structure et la dynamique de ces systèmes.

Il convient toutefois de noter que l'identification des processus élémentaires n'épuise pas le sujet. En effet, l'imbrication de plusieurs de ces processus peut conduire à des effets qualitativement nouveaux. Ainsi, le grand nombre de degrés de liberté du champ est à l'origine de l'apparition de comportements irréversibles dans l'évolution des atomes. Le champ peut apparaître dans ce cas comme un réservoir et les méthodes de la mécanique statistique se révèlent alors particulièrement commodes pour décrire l'effet du champ sur les particules. Un autre aspect du champ électromagnétique nécessite une approche particulière : le champ électromagnétique est en effet l'un des rares champs que l'on sache produire dans des états où son amplitude moyenne est non nulle. L'évolution des systèmes atomiques dans un tel champ cohérent donne lieu à une grande richesse de comportements qui ont été explorés d'abord à propos de la résonance magnétique avant de l'être dans le domaine optique.