Soutenance mémoire
L’équipe Atomes Froids du laboratoire CAR existe depuis décembre 2007. Le dispositif expérimental de condensation tout optique, initialement développé à Paris [59] et déménagé à Toulouse en 2009 [60], a permis à l’équipe de développer un nouvel axe de recherche centré sur l’utilisation de réseaux optiques [61–63]. Néanmoins, en 2013, ce dispositif ne permettait plus d’atteindre la condensation du fait du vieillissement des lasers de puissance et d’une détérioration de la qualité du vide. La dernière décennie ayant, de plus, été riche en développement technologique, l’équipe a décidé de changer le dispositif et la méthode de condensation. Les deux premières années de ma thèse ont donc majoritairement consisté en la construction de ce nouveau dispositif expérimental qui nous a permis d’atteindre la condensation de Bose-Einstein en mai 2015.
Vue générale du dispositif
La source d’atomes froids est constituée d’un four à atomes de rubidium 87, chauffé à environ 100˚, et d’un piège magnéto-optique bidimensionnel (PMO 2D) construit par le SYRTE. Au sein du MOT 2D, la pression est maintenue aux alentours de 10⁻⁸ mbar par une pompe ionique (P I0 sur la figure I.1). Nous ne détaillons pas ici le fonctionnement du PMO 2D . Notons simplement que le flux d’atomes en sortie est de l’ordre de 10¹⁰ atomes/s, ce qui est conforme aux performances annoncées par le SYRTE. Deux croix (C1 et C2), connectées entre elles via deux tubes de pression différentielle, relient le PMO 2D à la cellule en verre dans laquelle une partie des atomes provenant de la source sera refroidie jusqu’à condensation et où toutes les expériences seront menées. La cellule en verre est maintenue sous ultra vide (P < 10−¹⁰ mbar) par deux pompes ioniquegetter P I1 et P I2 .
La cellule en verre, fabriquée par Hellma, fait 10 cm de long et 3 cm de coté extérieur. L’épaisseur du verre est de 5 mm. Afin de pouvoir utiliser des lasers de différentes longueurs d’onde (typiquement 780 nm et 1064 nm comme nous le verrons par la suite), le verre n’a pas subi de traitement anti-reflet. Il faut donc garder à l’esprit que chaque interface entrainera environ 4% de perte de puissance.
La chambre à vide ayant été brièvement présentée, détaillons les différentes étapes de refroidissement que nous allons aborder dans la suite de ce chapitre :
— le flux d’atomes en sortie du PMO 2D nous permet de charger un piège magnéto-optique 3D (PMO 3D) dans la cellule en verre contenant 2.5 × 10⁹ atomes. Ces atomes sont alors refroidis plus avant par une mélasse à désaccord dynamique puis dépompés dans l’état hyperfin F = 1.
— Ils sont ensuite transférés dans un piège magnétique quadrupolaire dans lequel nous procédons à une première étape de refroidissement par évaporation micro-onde.
— Enfin, les atomes sont transférés dans un piège hybride (constitué d’un piège magnétique compensant la gravité et d’un piège dipolaire croisé). La seconde étape de refroidissement par évaporation est alors mise en œuvre et conduit à l’obtention d’un condensat de Bose-Einstein.
Piège magnéto-optique 3D
Le piège magnéto-optique est un outil incontournable du domaine des atomes froids qui a été proposé par J. Dalibard au milieu des années 1980. Le but de cet outil est double : refroidir et piéger spatialement les atomes. Pour cela, J. Dalibard a proposé d’utiliser les techniques de refroidissement laser en créant une mélasse optique et d’exploiter l’effet Zeeman pour rendre la force ressentie par les atomes dépendante de la position, ce qui rend possible le piégeage. La première réalisation expérimentale d’un PMO a été faite en 1987 par E. L. Raad, S. Chu et D. Pritchard pour des atomes de sodium [12]. Depuis, de nombreux autres éléments ont été piégés et ralentis de cette manière comme par exemple le rubidium, le césium, le calcium, l’ytterbium ainsi que, plus récemment, certaines molécules diatomiques tel que le strontium monofluoride [64].
Principe du piège magnéto-optique
L’atome qui nous intéresse ici est l’isotope 87 du rubidium : 87Rb. Le principe du PMO 3D qui le piège est le suivant :
Mélasse optique
Le refroidissement laser est assuré par la force de pression de radiation exercée par des faisceaux laser dit refroidisseurs, de pulsation ωL, désaccordés de δL vers le rouge par rapport à la transition F = 2 → F 0 = 3 de la ligne D2 du rubidium .
Commençons par un raisonnement à une dimension : considérons un tel faisceau laser, de vecteur d’onde kL. Du fait de l’effet Doppler, les atomes se déplaçant avec une vitesse v dans le sens opposé au vecteur d’onde kL du faisceau laser voient une fréquence augmentée de δ Doppler L = kLv. Le faisceau laser étant désaccordé vers le rouge, ces atomes voient alors une fréquence plus proche de résonance. Au contraire, les atomes se déplaçant dans le même sens que le vecteur d’onde voient, eux, une fréquence diminuée de la même quantité δ Doppler L .
Les atomes absorberont donc préférentiellement un photon qui, par conservation de l’impulsion, s’oppose à leur mouvement. Après absorption , les atomes se désexcitent par émission d’un photon. Cette émission spontanée se fait de façon équiprobable dans les deux directions opposées. Son effet sur la vitesse des atomes est donc en moyenne nul. Au cours des cycles d’absorption/émission spontanée de photons, l’effet prédominant de la pression de radiation sera alors de ralentir les atomes contrapropageants au laser. Ajoutons à cela un deuxième faisceau contrapropageant au premier et le tour est joué ! Nous obtenons une mélasse optique qui a pour effet de piéger les atomes dans l’espace des impulsions. C’est ce qui est schématisé figure I.2. Ce raisonnement est généralisable à trois dimensions en considérant 3 paires de faisceaux contrapropageants, une dans chaque direction de l’espace.
Réalisation expérimentale du PMO 3D
Dans cette section, nous présentons la réalisation expérimentale du piège magnéto-optique présenté dans la section précédente. Nous détaillons également la séquence de chargement du piège qui est suivi d’une phase sombre qui nous permet d’augmenter la densité du PMO [66]. Nous procédons ensuite à une mélasse à désaccord dynamique [67] et à une étape de dépompage en vue du chargement dans le piège magnétique. Nous produisons ainsi un nuage de 2.5 × 10⁹ atomes dans l’état F = 1 à une température de 50 µK.
Préparation des lasers résonants
Les faisceaux laser refroidisseur et repompeur sont préparés séparément à partir de deux diodes laser : Une diode sur réseau DL Pro Toptica pour le laser refroidisseur et une diode libre artisanale pour le laser repompeur. Une description détaillée de la préparation des faisceaux est donnée dans [58]. Nous ne présentons ici que les grandes lignes du dispositif et les schémas des tables optiques sont donnés dans l’annexe A. La fréquence du laser refroidisseur est stabilisée par un asservissement par modulation de phase à 5 MHz [68] sur la transition hyperfine F = 2 → F 0 = 2. Sa fréquence est ensuite ajustée à l’aide de modulateurs acousto-optique La fréquence du laser repompeur est elle asservie par modulation de courant sur la transition F = 1→ F 0 = 2.
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Table des matières
Introduction générale
I Production de condensats de Bose-Einstein
Introduction
I.1 Piège magnéto-optique 3D
I.2 Système d’imagerie
I.3 Vers la condensation de Bose-Einstein
I.4 Piége magnétique
I.5 Condensation de Bose-Einstein dans un piège hybride
Conclusion
II Mise en place d’un réseau optique
Introduction
II.1 Particule dans un potentiel périodique
II.2 Réalisation expérimentale d’un réseau optique
Conclusion
III Étude de trois méthodes de calibration d’un réseau optique
Introduction
III.1 Calibration par diffraction Kapitza-Dirac
III.2 Calibration par interférence entre paquets d’ondes cohérents
III.3 Micro-oscillations d’une chaine de condensats
Conclusion
IV Mesure du temps de traversée tunnel
Introduction
IV.1 Le temps de traversée tunnel : une question ouverte
IV.2 Observation expérimentale du temps de traversée tunnel
IV.3 Interféromètre de Mach-Zehnder micrométrique
IV.4 Microscope par rotation dans l’espace des phases
Conclusion
V Dynamique dans un réseau renormalisé
Introduction
V.1 Modulation haute fréquence : renormalisation de la profondeur
V.2 Modulation basse fréquence : renormalisation du taux tunnel
VI Table des matières
V.3 Conclusion
Conclusion générale
