Production et observation de nano-nuages denses d’atomes froids

Ralentissement et refroidissement d’atomes de Rubidium 87

Nous développons ici une description synthétique du dispositif expérimental qui nous permet de réaliser nos expériences. Un descriptif plus détaillé est reporté dans [Fuhrmanek, 2011]. Un échantillon de 87Rb est placé dans notre four. Une fois portée à 180°C, la partie de l’échantillon passée en phase gazeuse est en équilibre avec la phase solide à la pression de vapeur saturante Psat = 10 ⁻² T orr. L’ouverture située entre le four et le reste de la chambre à vide  permet de générer un jet atomique assez directif. Un vide poussé, de l’ordre de 10⁻¹¹ mbar, 2 est maintenu dans l’enceinte grâce à deux pompes ioniques. La distribution des vitesses des atomes constituant le jet ainsi créé suit une loi de distribution Maxwellienne de moyenne ¯v 300 m.s⁻¹. Il nous faut donc un moyen de ralentir ces atomes.

Piège magnéto-optique

Une fois les atomes ralentis, nous utilisons un système de piège magnéto-optique (ou MOT pour Magneto-Optical Trap) [Chu et al., 1985] pour les piéger et les refroidir et ainsi créer le réservoir dont nous avons besoin pour remplir nos pinces optiques. Le principe du MOT consiste en l’association de six faisceaux laser contra propageants polarisés circulairement et d’un gradient de champ magnétique pour exercer une force de rappel ainsi qu’un frottement visqueux sur un ensemble d’atomes.

Nano-nuages denses

Afin d’étudier l’émergence d’effets collectifs dans la diffusion de la lumière, nous souhaitons confiner un certain nombre d’atomes dans un volume tel que le paramètre nλ³ soit le plus élevé possible. Pour cela notre objectif sera de créer des échantillons aux dimensions inférieures au micron contenant un maximum d’atomes, ce que nous appellerons par la suite « nano-nuages » denses.

Pour piéger des atomes neutres comme le Rubidium 87, on peut utiliser le puits de potentiel optique généré au waist d’un faisceau laser fortement focalisé, appelé « pince optique » [Chu et al., 1986]. L’évolution du nombre d’atomes ainsi piégés en fonction du temps dépend des mécanismes de chargement et de pertes qui, en fonction de leur ajustement, permettent de passer du régime dit « d’atome unique » à celui dit de « multi-atomes ». Puisque le nombre final d’atomes piégés dépend essentiellement de la densité du réservoir qui entoure la pince optique, nous avons mis en oeuvre (cf [Fuhrmanek, 2011]) un moyen d’augmenter cette densité en employant une deuxième pince optique (macro-pince) de plus grand volume que la première (micro-pince).

Refroidissement évaporatif

Cette section a pour but de présenter succintement une partie des travaux réalisés par notre équipe concernant le refroidissement évaporatif de petits nuages dans le but originel de produire des condensats de Bose-Einstein contenant un très petit nombre d’atomes [Bourgain et al., 2013a]. En plus de cet objectif, nous pourrions adapter cette technique pour accroître substantiellement la densité de nos nano nuages et donc démultiplier les effets dus aux interactions entre atomes.

Un des intérêts de la production de nuages de quelques atomes dont l’état quantique est bien contrôlé réside dans leur application au domaine de la « simulation quantique ». Ce domaine est basé sur l’étude de systèmes quantiques modèles, dont les paramètres sont ajustables  , et dont le comportement (l’Hamiltonien du système) s’approche de celui d’autres systèmes plus difficiles à étudier. L’objectif général est la simulation de la dynamique de systèmes à N corps en interaction. Pour illustration, on citera l’étude du magnétisme quantique qui présente des phénomènes de frustation générant une structure non triviale des états fondamentaux d’un système de spins [Islam et al., 2011].

En ce qui concerne les atomes neutres, une équipe allemande [Serwane et al., 2011] a réussi à produire des échantillons trés dégénérés quantiquement de 1 à 10 atomes de ⁶Li, entités fermioniques. Ce remarquable résultat à été obtenu en chargeant 600 atomes dans une pince optique à partir d’un réservoir dont la température est déjà très inférieure à la température de Fermi, puis en déversant l’excédent d’atomes à l’extérieur de la pince en modifiant astucieusement son profil. Pour ce qui est des bosons, la méthode similaire consistant à utiliser de grands nuages déjà condensés pour alimenter une micro-pince [Jacob et al., 2011] ne semble pas à ce jour avoir permis d’atteindre le régime de quelques atomes seulement. Nous avons pour notre part tenté l’approche de la production de petits condensats directement dans une micro-pince grâce à la méthode d’évaporation forcée (pour des approches similaires, voir [Whitlock et al., 2009] pour des matrices de pièges sur puces magnétiques et [Sebby-Strabley et al., 2005] pour des réseaux optiques).

Grâce à notre dispositif de refroidissement de ⁸⁷Rb , nous sommes capables de charger une combinaison de deux pinces optiques micrométriques permettant de générer des nano-nuages d’une température de l’ordre de 100 µK et comprenant jusqu’à quelques centaines d’atomes . Les densités ainsi obtenues sont telles que nλ³∼0.1 et commencent donc à se révéler intéressantes pour l’étude d’effets collectifs induit par interaction dipole-dipole entre les atomes.

Dans le but originel d’amener ces échantillons mésoscopiques vers la dégénérescence quantique, nous avons poussé plus loin le refroidissement des nano-nuages à l’aide de techniques d’évaporation forcée (section 1.4). Nous avons observé que le comportement de la densité dans l’espace des phases suit bien les lois d’échelles décrites par [O’Hara et al., 2001], alors que quelques unes de leurs hypothèses sous-jacentes sont différentes de nos conditions de travail. Bien qu’au bout du processus de refroidissement, la densité dans l’espace des phases croise le seuil théorique de condensation, nous n’avons pour le moment aucune observation complémentaire pouvant confirmer la transition de phase. Cette technique pourrait cependant être adaptée à la génération de nano-nuages encore plus denses en y ajoutant une séquence de recompression du piège pour atteindre des conditions telles que nλ³> 1.

L’ensemble des observations reportées dans ce manuscrit est réalisé via un dispositif d’imagerie combinant une caméra CCD intensifiée et une photodiode à avalanche qui permettent de suivre spatialement et temporellement le signal lumineux provenant des nuages d’atomes . Etant donnée la petite quantité de signal générée par des ensembles de quelques centaines à quelques dizaines d’atomes, nos expériences sont réalisées un grand nombre de fois, impliquant des durées d’acquisition allant jusqu’à quelques heures par mesure. L’automatisation de l’ensemble du dispositif et la remise à niveau majeure que nous avons réalisées permettra de mettre en œuvre de futures expériences encore plus exigentes.

Table des matières

1 Production et observation de nano-nuages denses d’atomes froids
1.1 Introduction
1.2 Ralentissement et refroidissement d’atomes de Rubidium 87
1.2.1 Ralentissement Zeeman
1.2.2 Piège magnéto-optique
1.3 Nano-nuages denses
1.3.1 Potentiel de piègeage
1.3.2 Chargement d’un piège
1.3.3 Combinaison de deux pinces optiques
1.4 Refroidissement évaporatif
1.4.1 Vers la dégénérescence quantique
1.4.2 Evaporation et lois d’échelle
1.4.3 Mise en œuvre expérimentale
1.5 Détection optique
1.5.1 Système d’imagerie
1.5.2 iCCD et mesures résolues spatialement
1.5.3 APD et mesures résolues temporellement
1.6 Conclusion
2 Diffusion résonante de la lumière par un atome seul
2.1 Introduction
2.2 Diffusion résonante
2.2.1 Collision d’un paquet d’ondes avec un diffuseur
2.2.2 Equations de Bloch optiques
2.2.3 Généralisation à un système multi-niveaux
2.3 Mesures du délai de Wigner
2.3.1 Exemples de précédentes mesures
2.3.2 Délai de Wigner avec un seul atome
2.4 Délais de Wigner non standard : effets de propagation superluminique
2.4.1 Introduction d’une variation linéaire de la fréquence : le chirp
2.4.2 Observation de retards non standard
2.5 Conclusion
3 Modèles de diffusion collective
3.1 Introduction
3.2 Descriptions théoriques
3.2.1 Du point de vue du champ électromagnétique
3.2.2 Du point de vue des observables atomiques
3.3 Etude des équations des dipôles couplés
3.3.1 Décomposition en modes collectifs
3.3.2 Effets collectifs
3.4 Notions de coopérativité
3.4.1 Echelle de Dicke
3.4.2 Approximations de champ moyen et au-delà
3.5 Conclusion
4 Observations expérimentales
4.1 Introduction
4.2 « Etat de l’art »
4.2.1 Vapeurs atomiques
4.2.2 Nuages d’atomes froids
4.3 Observation de la suppression de l’excitation
4.3.1 Procédure expérimentale
4.3.2 Analyse des spectres d’excitation
4.3.3 Discussion de l’adéquation au modèle
4.4 Suivi temporel de la diffusion
4.4.1 Brève introduction aux concepts
4.4.2 Procédure expérimentale
4.4.3 Résultats préliminaires
4.5 Conclusion
Appendices

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