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CONDENSATION DE BOSE-EINSTEIN AVEC UN ELECTROAIMANT A NOYAU FERROMAGNETIQUE (STRATEGIES DE REFROIDISSEMENT DANS DES CHAMPS MAGNETIQUES INTENSES)

Vincent Boyer, Alain Aspect

Published Jan 1, 2000• 0 citations
OpenAlex

Abstract

ACTUELLEMENT, L'EVAPORATION PAR RADIOFREQUENCE EN PIEGE MAGNETIQUE RESTE UN PASSAGE OBLIGE POUR L'OBTENTION DE GAZ ATOMIQUES DEGENERES. AFIN DE PIEGER MAGNETIQUEMENT ET DE REFROIDIR UN GAZ D'ATOMES DE RUBIDIUM 87, NOUS AVONS CONCU UN ELECTROAIMANT BASE SUR L'UTILISATION DE MATERIAUX FERROMAGNETIQUES, CAPABLE DE GENERER DE FORTS GRADIENTS POUR UNE PUISSANCE ELECTRIQUE MODESTE. LA PREMIERE VERSION DU DISPOSITIF SE CARACTERISE PAR UNE FORTE VALEUR DU CHAMP MAGNETIQUE AU CENTRE DU PIEGE, DE L'ORDRE DE 100 GAUSS, POUR LAQUELLE L'EFFET ZEEMAN NON LINEAIRE LEVE LA DEGENERESCENCE DES TRANSITIONS RADIOFREQUENCE ENTRE LES SOUS-NIVEAUX MAGNETIQUES. NOUS AVONS ETUDIE DANS UN PREMIER TEMPS LE REFROIDISSEMENT EVAPORATIF A UNE SEULE RADIOFREQUENCE DANS CE REGIME. L'EVAPORATION N'EST PAS PERTURBEE DANS LE NIVEAU HYPERFIN F = 1, ET NOUS AVONS OBSERVE LA CONDENSATION DE BOSE-EINSTEIN. PAR CONTRE, DANS LE NIVEAU F = 2, LE PROCESSUS D'EVAPORATION EST INHIBE, ET IL EST IMPOSSIBLE DE CONDENSER LE GAZ POUR UN CHAMP MAGNETIQUE SUPERIEUR A ENVIRON 15 GAUSS. DANS UN DEUXIEME TEMPS, NOUS AVONS CONTOURNE CETTE DIFFICULTE, SOIT EN EVAPORANT LES ATOMES AVEC TROIS RADIOFREQUENCES DISTINCTES, SOIT EN FAISANT DU REFROIDISSEMENT SYMPATHIQUE, C'EST-A-DIRE EN MAINTENANT LES ATOMES DANS F = 2 EN CONTACT THERMIQUE AVEC UN NUAGE D'ATOMES DANS F = 1, LUI-MEME REFROIDI PAR EVAPORATION. CES DEUX TECHNIQUES PERMETTENT D'ATTEINDRE LE SEUIL DE CONDENSATION DANS F = 2 A RELATIVEMENT FORT CHAMP. ENFIN, NOUS AVONS CONCU ET REALISE UNE DEUXIEME VERSION DE L'ELECTROAIMANT PERMETTANT DE COMPENSER LE CHAMP MAGNETIQUE AU CENTRE DU PIEGE, TOUT EN CONSERVANT L'APTITUDE A GENERER DE FORTS GRADIENTS. CETTE NOUVELLE GENERATION DEVRAIT APPORTER UNE SOLUTION DEFINITIVE A L'EVAPORATION DES ATOMES DANS F = 2, ET DEBOUCHER SUR LA REALISATION D'EXPERIENCES NECESSITANT UN FORT CONFINEMENT OU UN POTENTIEL DE PIEGEAGE TRES ANISOTROPE.

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ETUDE DES TECHNIQUES DE PRODUCTION DE CONDENSATS DE BOSE-EINSTEIN / EVAPORATION MULTI-FREQUENCE ET REFROIDISSEMENT SYMPATHIQUE

Guillaume Delannoy

Ce mémoire de thèse développe plusieurs thèmes autour de la condensation de Bose-Einstein. Il présente différents moyens pour produire des condensat de Bose et termine par une application du condensat : le laser à atomes. Notre dispositif expérimental utilise des matériaux ferromagnétiques pour générer le piège magnétique. Le champ au centre de notre pi'ege est de l'ordre de la centaine de Gauss. Avec un tel champ, le refroidissement évaporatif par radio-fréquence peut être perturbé ou même interrompu car les fréquences de transition entre sous-niveaux Zeeman adjacents en un point donné du piège magnétique sont différentes. Pour résoudre ce problème, nous avons réalisé l'évaporation avec plusieurs fréquences rf simultanément. Par ailleurs, nous avons produit simultan'ement deux condensats de Bose-Einstein dans des états internes différents par refroidissement sympathique. Un modèle thermodynamique simple permet de comprendre les différents scénarios d'apparition des condensats observés expérimentalement. De plus un calcul du taux de thermalisation par collisions élastiques entre les deux espèces montre à quelle condition les deux gaz restent thermalisés au cours du refroidissement sympathique. Enfin nous avons produit et étudié des faisceaux d'atomes issus de nuages ultra-froids par un coupleur radio-fréquence. Avec notre fort champ magnétique, la stabilité relative nécessaire pour obtenir des faisceaux continus est d'environ 1:10 000. Lorsque la stabilité n'est pas suffisante, nous montrons qu'une modulation de fréquence ou d'amplitude de la rf permet de régulariser le flux du faisceau de sortie.

•Dec 19, 2001•1 citation

Evaporation par radio-fréquence et condensation de bose-Einstein d'un gaz d'alcalins en régime de champ fort.

Bruno Desruelle

Nous présentons un nouvel outil destiné à atteindre la condensation de Bose-Einstein par refroidissement évaporatif d'atomes alcalins confinés dans un potentiel magnétique. Notre approche repose sur l'utilisation de matériaux ferromagnétiques pour générer le potentiel de piégeage. Elle nous permet d'obtenir un pouvoir de confinement efficace avec une puissance électrique faible (100 W). Après une expérience préliminaire qui nous a permis de valider l'utilisation d'un électroaimant à coeur de fer pur pour le piégeage magnétique d'atomes neutres, nous avons développé un électroaimant de seconde génération que nous avons, utilisé pour notre étude du refroidissement évaporatif d'un gaz de rubidium 87. Ce dispositif a pour particularité de piéger les atomes dans un champ magnétique élevé, de l'ordre de 00 Gauss. A cause de la valeur élevée du champ magnétique, l'effet Zeeman quadratique n'est plus négligeable et les transitions radio-fréquence entre sous-niveaux Zeeman adjacents ne sont plus résonnantes au même point Cette propriété a des conséquences dramatiques sur le refroidissement évaporatif dans l'état F=2 et conduit à une interruption de lévaporation. Une expérience d'évaporation à fréquence fixe nous a permis de mettre en évidence l'influence de cet effet. Nous avons également observé que le refroidissement d'un gaz piégé dans F=m=2 ne permet pas de diminuer la température en dessous de 50 J.!K. En revanche, le processus d'évaporation n'est pas affecté pour l'état hyperfm inférieur F=1 et nous avons pu atteindre la condensation de Bose-Einstein en refroidissant le gaz en dessous de 150 nK.

•Jan 29, 1999•0 citations

REFROIDISSEMENT PAR EVAPORATION D'UN JET D'ATOMES FROIDS GUIDE MAGNETIQUEMENT. DYNAMIQUE DES GAZ D'ATOMES FROIDS PIEGES.

David Guéry-Odelin

Dans ce manuscrit, je présente la presque totalité de mes travaux scientifiques depuis ma soutenance de thèse. Au cours de cette période, mon activité de recherche a été double : (i) j'ai pris en charge une nouvelle expérience visant à produire une source continue d'ondes de matière cohérentes, et (ii) j'ai développé des outils analytiques pour cerner la dynamique des gaz d'atomes froids piégés. Dans notre projet expérimental, un jet d'atomes froids et lents mais non dégénéré est couplé à un guide magnétique le long duquel un refroidissement par évaporation est mis en oeuvre. En d'autres termes, nous essayons de transposer les aspects temporels du protocole d'obtention des condensats de Bose Einstein dans le domaine spatial : dans notre montage les atomes sont progressivement refroidis grâce à des zones de refroidissement séparées spatialement. Une telle démarche doit permettre d'obtenir un flux continu d'atomes condensés. Une source de ce type, dont les propriétés sont radicalement différentes de celles d'une source thermique, pourrait constituer un outil de choix pour de nombreuses expériences. Les horlosges atomiques, les interféromètres à ondes de matière, l'holographie atomique ou encore la nanolithographie sont autant de domaines qui peuvent potentiellement bénéficier d'amélioration par l'usage d'une source continue et cohérente d'atomes froids. Dans le premier chapitre, je décris les différentes parties du dispositif expérimental et les premiers résultats que nous avons obtenus. Deux sources d'atomes ont été étudiées pour alimenter efficacement un piège magnéto-optique anisotrope qui sert d'injecteur d'atomes froids dans le guide magnétique : (i) un piège magnéto-optique purement bi-dimensionnel avec des faisceaux de refroidissement d'intensité relativement élevée , et (ii) un ralentisseur à effet Zeeman placé en sortie d'un four effusif à recirculation. Cette dernière source a permis de mesurer un taux de chargement de l'injecteur de $4\times 10^{10}$ atomes par seconde. Le confinement magnétique dans l'injecteur est assuré par un gradient de champ magnétique, alors que le lancement exploite la technique de la mélasse en mouvement. Le guide magnétique, dont l'entrée est placée à quelques centimètres seulement de l'injecteur, procure un gradient de confinement élevé sans altérer aucunement les performances de l'injecteur. Nous avons démontré, et pour la première fois, l'alimentation en continu d'un guide magnétique. Pour optimiser le transfert d'atomes, nous avons étudié différents protocoles de couplage en mode continu comme en mode pulsé. Les caractéristiques de notre jet atomique guidé sont désormais les suivantes : un flux de $7\times 10^9$ atomes par seconde, une température de 400 micro K pour un confinement transverse de 600 Gauss/cm, et une vitesse moyenne de 1 m/s. Le deuxième chapitre est dédié à la physique des collisions au sein du jet d'atomes guidé magnétiquement. Nous présentons tout d'abord une nouvelle technique spectroscopique de mesure de la température du jet. Grâce à deux antennes radio-fréquences disposées le long du guide, nous avons pu mettre le jet dans un état hors d'équilibre, puis suivre le retour à l'équilibre grâce à l'antenne placée en aval. Cette expérience montre le phénomène de thermalisation dans un régime collisionnel dominé par les ondes d. Dans une deuxième série d'expériences, le jet a été ralenti à une vitesse de 60 cm/s grâce à une pente appliquée sur la première partie du guide magnétique. Le taux de collisions relativement élevé a permis d'amorcer le refroidissement par évaporation forcé. Une réduction de la température par un facteur 4 a ainsi été obtenue, correspondant à un gain en densité dans l'espace des phases d'un ordre de grandeur. Le dernier chapitre est consacré au développement de méthodes analytiques pour caractériser la dynamique des gaz piégés. Nous mis au point essentiellement deux outils. Le premier est la méthode dite des moyennes. Il a permis d'étudier les oscillations collectives d'un gaz classique, la mise en rotation d'un gaz par le biais d'une anisotropie tournante, et la dynamique de rethermalisation d'un mélange de gaz d'atomes froids. Cet outil a pu être étendu au cas d'un condensat de Bose Einstein dans le régime de Thomas-Fermi. Il a ainsi été possible d'étudier le mode ciseau. Ce mode d'oscillation pendulaire révèle les propriétés de superfluidité d'un condensat de Bose Einstein. Le deuxième outil que nous avons développé repose sur des solutions approchées par changement d'échelle de l'équation de Boltzmann. Nous avons montré ainsi que les temps de relaxation pertinents pour décrire l'amortissement des oscillations collectives d'un gaz classique piégé, et les expériences de temps de vol sont intimement reliés. Les deux méthodes que nous avons élaborées permettent de décrire également tous les régimes collisionnels, et en particulier la transition d'un régime sans collision à un régime hydrodynamique. L'essentiel de nos prédictions théoriques a été utilisé soit pour analyser, expliquer ou extraire des informations de données expérimentales. Les outils que nous avons développés ont par ailleurs été largement utilisés et adaptés pour traiter des problèmes connexes de notre communauté.

•Nov 24, 2005•1 citation

Piégeage magnétique d'un gaz d'hélium métastable : vers la condensation de Bose-Einstein

Antoine Browaeys

UN GAZ FROID D'HELIUM METASTABLE (2 3S 1) POLARISE EST UN CANDIDAT POSSIBLE POUR L'OBSERVATION DE LA CONDENSATION DE BOSE-EINSTEIN. DES ETUDES THEORIQUES PREDISENT QUE LE TAUX DE COLLISIONS PENNING, OBSTACLES A L'OBTENTION DE HAUTES DENSITES SPATIALES, EST REDUIT DE PLUSIEURS ORDRES DE GRANDEUR DU FAIT DE LA POLARISATION DE L'ECHANTILLON. CETTE REDUCTION DOIT PERMETTRE D'OBSERVER LA TRANSITION DE PHASE A UNE TEMPERATURE AUTOUR DU K. LA POLARISATION EST OBTENUE EXPERIMENTALEMENT EN PIEGEANT LES ATOMES MAGNETIQUEMENT. LA LONGUEUR DE DIFFUSION THEORIQUE ELEVEE DE L'HELIUM DANS L'ETAT 2 3S 1 PERMET D'ESPERER UN REFROIDISSEMENT EVAPORATIF EFFICACE DANS LE PIEGE MAGNETIQUE. CETTE THESE RESUME LES PREDICTIONS THEORIQUES SUR LES COLLISIONS INELASTIQUES ET ELASTIQUES ENTRE ATOMES D'HELIUM METASTABLES ET DECRIT LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL CONDUISANT AU CHARGEMENT DU PIEGE MAGNETIQUE. LA TECHNIQUE CHOISIE EST BASEE SUR LE PRE-REFROIDISSEMENT LASER DES ATOMES PAR RALENTISSEMENT D'UN JET PAR LASER ASSISTE PAR EFFET ZEEMAN, SUIVI D'UN PIEGEAGE MAGNETO-OPTIQUE ET D'UNE PHASE DE MELASSE OPTIQUE. UNE PREMIERE LIMITATION EXPERIMENTALE SUR LA DENSITE SPATIALE QUE L'ON PEUT ATTEINDRE APPARAIT AU COURS DE CETTE ETAPE. ELLE EST DUE AUX COLLISIONS INELASTIQUES ASSISTEES PAR LA LUMIERE LASER. LE NUAGE PRE-REFROIDI EST ENSUITE TRANSFERE DANS LE PIEGE MAGNETIQUE. DEUX REALISATIONS EXPERIMENTALES DE CE PIEGEAGE MAGNETIQUE SONT PRESENTEES. LA PREMIERE, DEMONSTRATION DE PRINCIPE, EST REALISEE DANS UN QUADRUPOLE. LA DEUXIEME EST OBTENUE DANS UN PIEGE DE IOFFE-PRITCHARD. A CE STADE DE L'EXPERIENCE, ON DISPOSE D'UN ECHANTILLON MAGNETIQUE CONTENANT 5 10 7 ATOMES A UNE TEMPERATURE DE 200 K, AVEC UNE DUREE DE VIE DE 20 S.

•Nov 6, 2000•0 citations

Thermodynamics and magnetism of antiferromagnetic spinor Bose-Einstein condensates

Camille Frapolli

Dans ce manuscrit, nous présentons une étude expérimentale d'un gaz de Bose de spin 1 avec des interactions antiferromagnétiques avec des atomes de sodium ultra-froids dans l'état hyperfin F=1. Les trois composantes Zeeman sont piégées simultanément dans des pièges dipolaires optiques. Nous obtenons un condensat de Bose-Einstein spineur par refroidissement évaporatif et nous étudions ses propriétés magnétiques. Il y a deux types d’interactions dans le système: des interactions de contact qui ne changent pas les populations des composantes Zeeman et des interactions d'échange de spin qui les modifient. Une compétition entre l'énergie Zeeman et l'énergie d'échange impose l'ordre magnétique dans le système.Nous étudions dans un premier temps les phases magnétiques de condensats de Bose-Einstein spineurs a température quasi nulle. L'état fondamental comporte deux phases qui sont observées en variant le champ magnétique (donc l'énergie Zeeman quadratique) et la magnétisation de l'échantillon. Dans la phase antiferromagnétique, le spin de l'échantillon est simplement selon l'axe du champ magnétique. Dans la phase polaire, une composante transverse apparait pour minimiser l'énergie Zeeman. Pour une magnétisation nulle, le condensat spineur forme un nématique de spin. Cet état, nommé par analogie avec la phase nématique dans les cristaux liquides, est caractérisée par des fluctuations de spin orthogonales à un axe particulier, mais sans préférer une des deux direction sur cet axe. Dans chacune des deux phases, l'ordre nématique se manifeste par un minimisation de la longueur du spin transverse en imposant une valeur particulière (π) de la phase relative des composantes Zeeman θ = φ₊₁ + φ₋₁ - 2φ₀. Nous mesurons la longueur du spin transverse en analysant le bruit de spin après une rotation.Dans un second temps, nous étudions la thermodynamique d'un gaz de Bose de spin 1 près de la température critique pour la condensation de Bose-Einstein. Nous mesurons plusieurs scénarios de condensation séquentiels en fonction de la magnétisation et du champ magnétique. La température critique mesurée révèle que les interactions ont un effet important quand la condensation d'une composante se fait en présence d'un condensat dans une autre composante. Nous utilisons une théorie d'Hartree-Fock simplifiée, en négligeant les interactions d’échange de spin. Nous constatons que les résultats expérimentaux sont en bon accord. Cependant, pour de bas champs magnétiques, le diagramme de phase thermodynamique est largement modifié par les interactions d'échange de spin, ce qui pose de nouvelles questions sur leur rôle a température finie.

•Mar 29, 2017•0 citations

CONDENSATION DE BOSE-EINSTEIN DU CHROME

Quentin Beaufils

A cause de son fort moment magnetique dans l’etat fondamental, le chrome est un bon candidat pour l’etude des interactions dipolaires dans un gaz degenere. Nous avons mis en place un dispositif experimental afin de pieger et de refroidir des atomes de 52Cr jusqu’a la condensation de Bose-Einstein. Le refroidissement evaporatif a lieu dans un piege optique, dont le chargement a partir du piege magneto-optique est realise grâce a une methode originale d’accumulation en continu d’atomes dans des etats metastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15 000 atomes en 15 s au total. Nous avons etudie la possibilite d’amener les sous-etats Zeeman du chrome condense a degenerescence dans un champ magnetique statique non nul, en utilisant un champ magnetique radiofrequence (rf). Cela nous a conduit a mettre en evidence un processus de relaxation dipolaire assistee par la rf. Nous avons ´egalement etudie une resonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui a la particularite d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analyse cette resonance en presence de champs rf, et reinterprete l’association rf de molecules comme une simple resonance de Feshbach entre etats habilles. Enfin, nous avons mis en place un reseau optique dans la perspective d’etudier l’effet des interactions dipole-dipole en dimension reduite.

•Oct 29, 2009•0 citations
ACTUELLEMENT, L'EVAPORATION PAR RADIOFREQUENCE EN PIEGE MAGNETIQUE RESTE UN PASSAGE OBLIGE POUR L'OBTENTION DE GAZ ATOMIQUES DEGENERES. AFIN DE PIEGER MAGNETIQUEMENT ET DE REFROIDIR UN GAZ D'ATOMES DE RUBIDIUM 87, NOUS AVONS CONCU UN ELECTROAIMANT BASE SUR L'UTILISATION DE MATERIAUX FERROMAGNETIQUES, CAPABLE DE GENERER DE FORTS GRADIENTS POUR UNE PUISSANCE ELECTRIQUE MODESTE. LA PREMIERE VERSION DU DISPOSITIF SE CARACTERISE PAR UNE FORTE VALEUR DU CHAMP MAGNETIQUE AU CENTRE DU PIEGE, DE L'ORDRE DE 100 GAUSS, POUR LAQUELLE L'EFFET ZEEMAN NON LINEAIRE LEVE LA DEGENERESCENCE DES TRANSITIONS RADIOFREQUENCE ENTRE LES SOUS-NIVEAUX MAGNETIQUES. NOUS AVONS ETUDIE DANS UN PREMIER TEMPS LE REFROIDISSEMENT EVAPORATIF A UNE SEULE RADIOFREQUENCE DANS CE REGIME. L'EVAPORATION N'EST PAS PERTURBEE DANS LE NIVEAU HYPERFIN F = 1, ET NOUS AVONS OBSERVE LA CONDENSATION DE BOSE-EINSTEIN. PAR CONTRE, DANS LE NIVEAU F = 2, LE PROCESSUS D'EVAPORATION EST INHIBE, ET IL EST IMPOSSIBLE DE CONDENSER LE GAZ POUR UN CHAMP MAGNETIQUE SUPERIEUR A ENVIRON 15 GAUSS. DANS UN DEUXIEME TEMPS, NOUS AVONS CONTOURNE CETTE DIFFICULTE, SOIT EN EVAPORANT LES ATOMES AVEC TROIS RADIOFREQUENCES DISTINCTES, SOIT EN FAISANT DU REFROIDISSEMENT SYMPATHIQUE, C'EST-A-DIRE EN MAINTENANT LES ATOMES DANS F = 2 EN CONTACT THERMIQUE AVEC UN NUAGE D'ATOMES DANS F = 1, LUI-MEME REFROIDI PAR EVAPORATION. CES DEUX TECHNIQUES PERMETTENT D'ATTEINDRE LE SEUIL DE CONDENSATION DANS F = 2 A RELATIVEMENT FORT CHAMP. ENFIN, NOUS AVONS CONCU ET REALISE UNE DEUXIEME VERSION DE L'ELECTROAIMANT PERMETTANT DE COMPENSER LE CHAMP MAGNETIQUE AU CENTRE DU PIEGE, TOUT EN CONSERVANT L'APTITUDE A GENERER DE FORTS GRADIENTS. CETTE NOUVELLE GENERATION DEVRAIT APPORTER UNE SOLUTION DEFINITIVE A L'EVAPORATION DES ATOMES DANS F = 2, ET DEBOUCHER SUR LA REALISATION D'EXPERIENCES NECESSITANT UN FORT CONFINEMENT OU UN POTENTIEL DE PIEGEAGE TRES ANISOTROPE.
Ce mémoire de thèse développe plusieurs thèmes autour de la condensation de Bose-Einstein. Il présente différents moyens pour produire des condensat de Bose et termine par une application du condensat : le laser à atomes. Notre dispositif expérimental utilise des matériaux ferromagnétiques pour générer le piège magnétique. Le champ au centre de notre pi'ege est de l'ordre de la centaine de Gauss. Avec un tel champ, le refroidissement évaporatif par radio-fréquence peut être perturbé ou même interrompu car les fréquences de transition entre sous-niveaux Zeeman adjacents en un point donné du piège magnétique sont différentes. Pour résoudre ce problème, nous avons réalisé l'évaporation avec plusieurs fréquences rf simultanément. Par ailleurs, nous avons produit simultan'ement deux condensats de Bose-Einstein dans des états internes différents par refroidissement sympathique. Un modèle thermodynamique simple permet de comprendre les différents scénarios d'apparition des condensats observés expérimentalement. De plus un calcul du taux de thermalisation par collisions élastiques entre les deux espèces montre à quelle condition les deux gaz restent thermalisés au cours du refroidissement sympathique. Enfin nous avons produit et étudié des faisceaux d'atomes issus de nuages ultra-froids par un coupleur radio-fréquence. Avec notre fort champ magnétique, la stabilité relative nécessaire pour obtenir des faisceaux continus est d'environ 1:10 000. Lorsque la stabilité n'est pas suffisante, nous montrons qu'une modulation de fréquence ou d'amplitude de la rf permet de régulariser le flux du faisceau de sortie.
Nous présentons un nouvel outil destiné à atteindre la condensation de Bose-Einstein par refroidissement évaporatif d'atomes alcalins confinés dans un potentiel magnétique. Notre approche repose sur l'utilisation de matériaux ferromagnétiques pour générer le potentiel de piégeage. Elle nous permet d'obtenir un pouvoir de confinement efficace avec une puissance électrique faible (100 W). Après une expérience préliminaire qui nous a permis de valider l'utilisation d'un électroaimant à coeur de fer pur pour le piégeage magnétique d'atomes neutres, nous avons développé un électroaimant de seconde génération que nous avons, utilisé pour notre étude du refroidissement évaporatif d'un gaz de rubidium 87. Ce dispositif a pour particularité de piéger les atomes dans un champ magnétique élevé, de l'ordre de 00 Gauss. A cause de la valeur élevée du champ magnétique, l'effet Zeeman quadratique n'est plus négligeable et les transitions radio-fréquence entre sous-niveaux Zeeman adjacents ne sont plus résonnantes au même point Cette propriété a des conséquences dramatiques sur le refroidissement évaporatif dans l'état F=2 et conduit à une interruption de lévaporation. Une expérience d'évaporation à fréquence fixe nous a permis de mettre en évidence l'influence de cet effet. Nous avons également observé que le refroidissement d'un gaz piégé dans F=m=2 ne permet pas de diminuer la température en dessous de 50 J.!K. En revanche, le processus d'évaporation n'est pas affecté pour l'état hyperfm inférieur F=1 et nous avons pu atteindre la condensation de Bose-Einstein en refroidissant le gaz en dessous de 150 nK.
Dans ce manuscrit, je présente la presque totalité de mes travaux scientifiques depuis ma soutenance de thèse. Au cours de cette période, mon activité de recherche a été double : (i) j'ai pris en charge une nouvelle expérience visant à produire une source continue d'ondes de matière cohérentes, et (ii) j'ai développé des outils analytiques pour cerner la dynamique des gaz d'atomes froids piégés. Dans notre projet expérimental, un jet d'atomes froids et lents mais non dégénéré est couplé à un guide magnétique le long duquel un refroidissement par évaporation est mis en oeuvre. En d'autres termes, nous essayons de transposer les aspects temporels du protocole d'obtention des condensats de Bose Einstein dans le domaine spatial : dans notre montage les atomes sont progressivement refroidis grâce à des zones de refroidissement séparées spatialement. Une telle démarche doit permettre d'obtenir un flux continu d'atomes condensés. Une source de ce type, dont les propriétés sont radicalement différentes de celles d'une source thermique, pourrait constituer un outil de choix pour de nombreuses expériences. Les horlosges atomiques, les interféromètres à ondes de matière, l'holographie atomique ou encore la nanolithographie sont autant de domaines qui peuvent potentiellement bénéficier d'amélioration par l'usage d'une source continue et cohérente d'atomes froids. Dans le premier chapitre, je décris les différentes parties du dispositif expérimental et les premiers résultats que nous avons obtenus. Deux sources d'atomes ont été étudiées pour alimenter efficacement un piège magnéto-optique anisotrope qui sert d'injecteur d'atomes froids dans le guide magnétique : (i) un piège magnéto-optique purement bi-dimensionnel avec des faisceaux de refroidissement d'intensité relativement élevée , et (ii) un ralentisseur à effet Zeeman placé en sortie d'un four effusif à recirculation. Cette dernière source a permis de mesurer un taux de chargement de l'injecteur de 4×10104\times 10^{10}4×1010 atomes par seconde. Le confinement magnétique dans l'injecteur est assuré par un gradient de champ magnétique, alors que le lancement exploite la technique de la mélasse en mouvement. Le guide magnétique, dont l'entrée est placée à quelques centimètres seulement de l'injecteur, procure un gradient de confinement élevé sans altérer aucunement les performances de l'injecteur. Nous avons démontré, et pour la première fois, l'alimentation en continu d'un guide magnétique. Pour optimiser le transfert d'atomes, nous avons étudié différents protocoles de couplage en mode continu comme en mode pulsé. Les caractéristiques de notre jet atomique guidé sont désormais les suivantes : un flux de 7×1097\times 10^97×109 atomes par seconde, une température de 400 micro K pour un confinement transverse de 600 Gauss/cm, et une vitesse moyenne de 1 m/s. Le deuxième chapitre est dédié à la physique des collisions au sein du jet d'atomes guidé magnétiquement. Nous présentons tout d'abord une nouvelle technique spectroscopique de mesure de la température du jet. Grâce à deux antennes radio-fréquences disposées le long du guide, nous avons pu mettre le jet dans un état hors d'équilibre, puis suivre le retour à l'équilibre grâce à l'antenne placée en aval. Cette expérience montre le phénomène de thermalisation dans un régime collisionnel dominé par les ondes d. Dans une deuxième série d'expériences, le jet a été ralenti à une vitesse de 60 cm/s grâce à une pente appliquée sur la première partie du guide magnétique. Le taux de collisions relativement élevé a permis d'amorcer le refroidissement par évaporation forcé. Une réduction de la température par un facteur 4 a ainsi été obtenue, correspondant à un gain en densité dans l'espace des phases d'un ordre de grandeur. Le dernier chapitre est consacré au développement de méthodes analytiques pour caractériser la dynamique des gaz piégés. Nous mis au point essentiellement deux outils. Le premier est la méthode dite des moyennes. Il a permis d'étudier les oscillations collectives d'un gaz classique, la mise en rotation d'un gaz par le biais d'une anisotropie tournante, et la dynamique de rethermalisation d'un mélange de gaz d'atomes froids. Cet outil a pu être étendu au cas d'un condensat de Bose Einstein dans le régime de Thomas-Fermi. Il a ainsi été possible d'étudier le mode ciseau. Ce mode d'oscillation pendulaire révèle les propriétés de superfluidité d'un condensat de Bose Einstein. Le deuxième outil que nous avons développé repose sur des solutions approchées par changement d'échelle de l'équation de Boltzmann. Nous avons montré ainsi que les temps de relaxation pertinents pour décrire l'amortissement des oscillations collectives d'un gaz classique piégé, et les expériences de temps de vol sont intimement reliés. Les deux méthodes que nous avons élaborées permettent de décrire également tous les régimes collisionnels, et en particulier la transition d'un régime sans collision à un régime hydrodynamique. L'essentiel de nos prédictions théoriques a été utilisé soit pour analyser, expliquer ou extraire des informations de données expérimentales. Les outils que nous avons développés ont par ailleurs été largement utilisés et adaptés pour traiter des problèmes connexes de notre communauté.
UN GAZ FROID D'HELIUM METASTABLE (2 3S 1) POLARISE EST UN CANDIDAT POSSIBLE POUR L'OBSERVATION DE LA CONDENSATION DE BOSE-EINSTEIN. DES ETUDES THEORIQUES PREDISENT QUE LE TAUX DE COLLISIONS PENNING, OBSTACLES A L'OBTENTION DE HAUTES DENSITES SPATIALES, EST REDUIT DE PLUSIEURS ORDRES DE GRANDEUR DU FAIT DE LA POLARISATION DE L'ECHANTILLON. CETTE REDUCTION DOIT PERMETTRE D'OBSERVER LA TRANSITION DE PHASE A UNE TEMPERATURE AUTOUR DU K. LA POLARISATION EST OBTENUE EXPERIMENTALEMENT EN PIEGEANT LES ATOMES MAGNETIQUEMENT. LA LONGUEUR DE DIFFUSION THEORIQUE ELEVEE DE L'HELIUM DANS L'ETAT 2 3S 1 PERMET D'ESPERER UN REFROIDISSEMENT EVAPORATIF EFFICACE DANS LE PIEGE MAGNETIQUE. CETTE THESE RESUME LES PREDICTIONS THEORIQUES SUR LES COLLISIONS INELASTIQUES ET ELASTIQUES ENTRE ATOMES D'HELIUM METASTABLES ET DECRIT LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL CONDUISANT AU CHARGEMENT DU PIEGE MAGNETIQUE. LA TECHNIQUE CHOISIE EST BASEE SUR LE PRE-REFROIDISSEMENT LASER DES ATOMES PAR RALENTISSEMENT D'UN JET PAR LASER ASSISTE PAR EFFET ZEEMAN, SUIVI D'UN PIEGEAGE MAGNETO-OPTIQUE ET D'UNE PHASE DE MELASSE OPTIQUE. UNE PREMIERE LIMITATION EXPERIMENTALE SUR LA DENSITE SPATIALE QUE L'ON PEUT ATTEINDRE APPARAIT AU COURS DE CETTE ETAPE. ELLE EST DUE AUX COLLISIONS INELASTIQUES ASSISTEES PAR LA LUMIERE LASER. LE NUAGE PRE-REFROIDI EST ENSUITE TRANSFERE DANS LE PIEGE MAGNETIQUE. DEUX REALISATIONS EXPERIMENTALES DE CE PIEGEAGE MAGNETIQUE SONT PRESENTEES. LA PREMIERE, DEMONSTRATION DE PRINCIPE, EST REALISEE DANS UN QUADRUPOLE. LA DEUXIEME EST OBTENUE DANS UN PIEGE DE IOFFE-PRITCHARD. A CE STADE DE L'EXPERIENCE, ON DISPOSE D'UN ECHANTILLON MAGNETIQUE CONTENANT 5 10 7 ATOMES A UNE TEMPERATURE DE 200 K, AVEC UNE DUREE DE VIE DE 20 S.
Dans ce manuscrit, nous présentons une étude expérimentale d'un gaz de Bose de spin 1 avec des interactions antiferromagnétiques avec des atomes de sodium ultra-froids dans l'état hyperfin F=1. Les trois composantes Zeeman sont piégées simultanément dans des pièges dipolaires optiques. Nous obtenons un condensat de Bose-Einstein spineur par refroidissement évaporatif et nous étudions ses propriétés magnétiques. Il y a deux types d’interactions dans le système: des interactions de contact qui ne changent pas les populations des composantes Zeeman et des interactions d'échange de spin qui les modifient. Une compétition entre l'énergie Zeeman et l'énergie d'échange impose l'ordre magnétique dans le système.Nous étudions dans un premier temps les phases magnétiques de condensats de Bose-Einstein spineurs a température quasi nulle. L'état fondamental comporte deux phases qui sont observées en variant le champ magnétique (donc l'énergie Zeeman quadratique) et la magnétisation de l'échantillon. Dans la phase antiferromagnétique, le spin de l'échantillon est simplement selon l'axe du champ magnétique. Dans la phase polaire, une composante transverse apparait pour minimiser l'énergie Zeeman. Pour une magnétisation nulle, le condensat spineur forme un nématique de spin. Cet état, nommé par analogie avec la phase nématique dans les cristaux liquides, est caractérisée par des fluctuations de spin orthogonales à un axe particulier, mais sans préférer une des deux direction sur cet axe. Dans chacune des deux phases, l'ordre nématique se manifeste par un minimisation de la longueur du spin transverse en imposant une valeur particulière (π) de la phase relative des composantes Zeeman θ = φ₊₁ + φ₋₁ - 2φ₀. Nous mesurons la longueur du spin transverse en analysant le bruit de spin après une rotation.Dans un second temps, nous étudions la thermodynamique d'un gaz de Bose de spin 1 près de la température critique pour la condensation de Bose-Einstein. Nous mesurons plusieurs scénarios de condensation séquentiels en fonction de la magnétisation et du champ magnétique. La température critique mesurée révèle que les interactions ont un effet important quand la condensation d'une composante se fait en présence d'un condensat dans une autre composante. Nous utilisons une théorie d'Hartree-Fock simplifiée, en négligeant les interactions d’échange de spin. Nous constatons que les résultats expérimentaux sont en bon accord. Cependant, pour de bas champs magnétiques, le diagramme de phase thermodynamique est largement modifié par les interactions d'échange de spin, ce qui pose de nouvelles questions sur leur rôle a température finie.
A cause de son fort moment magnetique dans l’etat fondamental, le chrome est un bon candidat pour l’etude des interactions dipolaires dans un gaz degenere. Nous avons mis en place un dispositif experimental afin de pieger et de refroidir des atomes de 52Cr jusqu’a la condensation de Bose-Einstein. Le refroidissement evaporatif a lieu dans un piege optique, dont le chargement a partir du piege magneto-optique est realise grâce a une methode originale d’accumulation en continu d’atomes dans des etats metastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15 000 atomes en 15 s au total. Nous avons etudie la possibilite d’amener les sous-etats Zeeman du chrome condense a degenerescence dans un champ magnetique statique non nul, en utilisant un champ magnetique radiofrequence (rf). Cela nous a conduit a mettre en evidence un processus de relaxation dipolaire assistee par la rf. Nous avons ´egalement etudie une resonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui a la particularite d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analyse cette resonance en presence de champs rf, et reinterprete l’association rf de molecules comme une simple resonance de Feshbach entre etats habilles. Enfin, nous avons mis en place un reseau optique dans la perspective d’etudier l’effet des interactions dipole-dipole en dimension reduite.