Electrodynamique en cavité : expériences résonnantes en régime de couplage fort

F. Bernardot

Published Feb 11, 1994• 0 citations

Abstract

Dans le domaine micro-onde, deux niveaux de Rydberg voisins d'un atome alcalin, d'une part, et le champ électromagnétique confiné dans une cavité supraconductrice de très haute surtension, d'autre part, échangent de manière cohérente un quantum d'énergie lorsqu'ils sont à résonance. Une telle situation est conceptuellement la plus simple dans laquelle le couplage matière-rayonnement se manifeste à l'échelle élémentaire. Ce mémoire présente une mise en évidence expérimentale de cette interaction, dans une situation où l'évolution cohérente atome-champ domine les processus dissipatifs. Le couplage atome-champ est d'abord décrit théoriquement (dans un point de vue classique puis quantique), ainsi que des expériences permettant de le mettre en évidence. Ensuite, une expérience de spectroscopie des premiers états excités du système {atome + cavité} est exposée. Elle a permis d'accéder à la fréquence avec laquelle un échantillon de trois atomes et un mode résonnant du champ échangent leur énergie. Enfin, un nouveau montage expérimental est présenté. Il possède une résolution spectrale très élevée grâce à l'utilisation de la technique du champ oscillant séparé de Ramsey, et doit permettre l'observation, dans le domaine micro-onde, du couplage élémentaire entre un seul atome à deux niveaux et un seul mode du champ électromagnétique, cette observation pouvant se faire aussi bien spectralement que temporellement. La réalisation d'un montage expérimental aussi sensible, et dans lequel les amortissements de l'atome-et de la cavité sont rendus négligeables, ouvre également la voie à des tests subtils de la Mécanique Quantique (mesures sans démolition, chats de Schrödinger, etc.) mettant en jeu une interaction atome-champ non résonnante.

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P. Domokos

Ce travail porte sur la description theorique de systemes couples atome-cavite dans les domaines optique et microonde. L'etude est consacree au regime de couplage fort ou a la correlation quantique entre les atomes et le champ electromagnetique. Dans la premiere partie, ce memoire presente la theorie d'un microlaser fonctionnant dans le regime de couplage fort entre milieu actif et mode laser. Les equations de taux tenant compte de l'emission spontanee dans le mode sont obtenues analytiquement, ce qui permet d'identifier l'approximation essentielle dans cette approche usuelle. Ensuite, des solutions approchees aux equations de heisenberg-langevin sont derivees par une nouvelle methode. Les expressions analytiques permettent de definir de facon rigoureuse la notion de laser sans seuil et d'analyser la transition du regime domine par l'emission spontanee au regime ou l'emission stimulee devient preponderante. Enfin, on presente une nouvelle methode pour la simulation numerique efficace des equations operatorielles. Ces modeles sont finalement compares en calculant les caracteristiques (puissance de sortie, largeur de raie) d'un laser a microsphere dopee au neodyme. Dans la deuxieme partie, plusieurs experiences menees sur des atomes de rydberg circulaires et sur une cavite microonde de grande surtension sont abordees. Le couplage fort entre l'atome et le champ donne lieu a des correlations quantiques non separables qui sont a la base des phenomenes inherents a la mecanique quantique. La generation de la superposition des etats macroscopiquement discernables, dits chat de schrodinger, et l'observation de la decoherence sont d'abord considerees. La manipulation coherente des systemes intriques ouvre la voie a des applications diverses de la mecanique quantique dans le traitement de l'information. Dans cette optique, on etudie la realisation d'une porte logique quantique. Enfin, une nouvelle methode est proposee pour engendrer un etat de fock dans la cavite.

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