Realisation d'un interferometre atomique stern-gerlach a partir d'un jet supersonique d'argon metastable polarise et analyse par lasers

B. Viaris de Lesegno

Published Dec 20, 2000• 0 citations

Abstract

Ce travail relate la construction et les premiers resultats obtenus avec un interferometre atomique Stern-Gerlach fonctionnant avec un jet supersonique d'atomes d'argon metastable, de moment angulaire 2, prepare et selectionne en spin par lasers. Ses performances sont comparees a celles d'un interferometre du meme type fonctionnant avec un jet hyperthermique d'atomes d'hydrogene metastable, de moment angulaire 1. Pour realiser un interferometre Stern-Gerlach, il faut disposer d'une enceinte a vide traversee par un jet d'atomes polarises puis analyses en spin apres une evolution dans une zone de champ magnetique bien controle. Ceci est realise par l'usage de diodes lasers asservies sur des raies atomiques associees a une optique fibree. Les transitions choisies etaient fixees autour de 812 nm en polarisation sigma et 801 nm en polarisation pi. La zone de champ magnetique du coeur de l'interferometre est realisee par un circuit magnetique centre sur l'axe du jet atomique, protege par un blindage magnetique. En employant un detecteur sensible a la position, nous avons mis en evidence la grande sensibilite de ce dispositif lorsqu'on emploie un jet supersonique a la place d'un jet effusif. Le signal interferometrique depend alors bien plus finement des details du profil magnetique. Cette propriete est mise en evidence par l'apparition dans les figures d'interferences de structures inattendues liees aux effets de phase geometrique traduisants l'evolution du spin 2 dans un champ magnetique conique. Ces resultats permettent de guider la reflexion sur l'application de cet interferometre, tant vers des experiences visant la nanolithographie, qu'a des etudes plus fondamentales sur les phases quantiques, prolongeant les etudes deja realisees sur l'hydrogene.

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Ce travail relate la construction et les premiers résultats obtenus avec un interféromètre atomique Stern-Gerlach fonctionnant avec un jet supersonique d'atomes d'argon métastable, de moment angulaire 2, préparé et sélectionné en spin par lasers. Ses performances sont comparées à celles d'un interféromètre du même type fonctionnant avec un jet hyperthermique d'atomes d'hydrogène métastable, de moment angulaire 1. Pour réaliser un interféromètre Stern-Gerlach, il faut disposer d'une enceinte à vide traversée par un jet d'atomes polarisés puis analysés en spin après une évolution dans une zone de champ magnétique bien contrôlé. Ceci est réalisé par l'usage de diodes lasers asservies sur des raies atomiques associées à une optique fibrée. Les transitions choisies étaient fixées autour de 812 nm en polarisation sigma et 801 nm en polarisation pi. La zone de champ magnétique du coeur de l'interféromètre est réalisée par un circuit magnétique centré sur l'axe du jet atomique, protégé par un blindage magnétique. En employant un détecteur sensible à la position, nous avons mis en évidence la grande sensibilité de ce dispositif lorsqu'on emploie un jet supersonique à la place d'un jet effusif. Le signal interférométrique dépend alors bien plus finement des détails du profil magnétique. Cette propriété est mise en évidence par l'apparition dans les figures d'interférences de structures inattendues liées aux effets de phase géométrique traduisants l'évolution du spin 2 dans un champ magnétique conique. Ces résultats permettent de guider la réflexion sur l'application de cet interféromètre, tant vers des expériences visant la nanolithographie, qu'à des études plus fondamentales sur les phases quantiques, prolongeant les études déjà réalisées sur l'hydrogène.

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Ce manuscrit decrit l'utilisation d'un nouveau type de potentiels en interferometrie atomique stern-gerlach. L'objet de l'interferometrie atomique est la realisation d'interferogrammes a partir d'ondes de matiere, des atomes d'hydrogene metastable (h2s) dans notre cas. En interferometrie atomique stern-gerlach, un degres de liberte de translation des particules est enchevetre avec leur moment magnetique quantifie ce qui classe cette technique dans la famille des interferometres de polarisation. Ils permettent d'obtenir des interferogrammes sensibles aux champs magnetiques. D'un autre cote, l'interferometrie atomique a connu un formidable essor ces dernieres annees grace a l'emergence des techniques de refroidissement par laser qui permettent de diminuer grandement la vitesse moyenne des particules. L'hydrogene ne pouvant beneficier de ces techniques, nous avons realise puis experimente un profil de champ magnetique se deplacant a des vitesses proches des vitesses atomiques, d'ou le terme comobile. Cela permet de disposer de faibles vitesses relatives des particules par rapport au champ et de palier en partie a l'impossibilite du refroidissement. Ces champs dependent de la position (x) et du temps (t) essentiellement par l'intermediaire de la variable x-ut et sont crees par l'utilisation de huit fils helicoidaux (de periode spatiale l) parcourus par des courants alternatifs de frequence (n). On a alors u=nl, ce qui rend la vitesse de deplacement du champ ajustable. La transmission d'un interferometre dans lequel ces champs sont utilises depend alors tres fortement de la vitesse de la particule incidente, formant alors un filtre interferentiel pour onde de broglie ce que nous avons experimentalement demontre. Nous avons aussi realise une version champ comobiles de l'experience historique de ramsey a champs oscillants separes. L'utilisation de courants de frequence variable permet d'engendrer toutes les dependances de la phase atomique en fonction de la vitesse des particules (dispersion). Une application au cas du chirp est donnee. Enfin, nous montrons que des champs comobiles polarises circulairement permettent d'etudier la phase topologique dans tous les regimes d'adiabaticite.

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É. Maréchal

L'objet de cette these est le developpement de nouvelles methodes d'optique et d'interferometrie atomique utilisant l'action de champs magnetiques pulses sur un nuage d'atomes froids. Nous avons mis au point et optimise les performances d'un piege magneto-optique pour des atomes de cesium. Ce piege a ete utilise comme source dans une serie d'experiences decrites dans ce memoire. Le principe d'un dispositif d'analyse en polarisation du nuage atomique utilisant la force stern-gerlach est valide. La realisation au moyen de champs pulses d'une lentille pour focaliser ou collimater le nuage atomique est presentee. La derniere partie du memoire decrit la realisation experimentale d'un interferometre atomique de polarisation. Dans ce dispositif, on cree une superposition coherente des sous-niveaux magnetiques par basculement soudain du champ applique aux atomes et on obtient des franges en mesurant la population d'un sous-niveau donne pour diverses valeurs des parametres de l'objet de phase. Les proprietes de coherence du nuage atomique sont etudiees suivant plusieurs procedures (precession simple, echo de spin, double echo) et les perspectives d'application de notre appareil a la gravimetrie de precision sont presentees.

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