Méthodes optiques d'étude de la résonance magnétique

Alfred Kastler

1 ° En éclairant les atomes d'un gaz ou d'un faisceau atomique par des radiations de ' résonance orientées (faisceau lumineux ayant une direction déterminée) et convenablement polarisées, . il est possible --- lorsque ces atomes au niveau fondamental sont paramagnétiques (nombres quantiques J # o ou F # o) - d'obtenir un peuplement inégal des divers sous-niveauxm qui caractérisent la quantification spatiale ou magnétique du niveau fondamental. Une évaluation grossière montre qu'avec les moyens d'irradiation actuels, cette dissymétrie de population peut devenir fortimportante. Il résulte de l'examen des probabilités de passage des transitions Zeeman 1t et a que l'illumination en lumière naturelle ou en lumière polarisée rectilignement permet de concentrer les atomes suivant les cas, soit vers les sous-niveaux m du_ milieu (m = o), soit, au contraire, vers les sous-niveaux extérieurs- ( m maximum). L'emploi de lumière polarisée circulairement permet de créer une dissymétrie de population entre les niveaux m négatifs et les niveaux m positifs, le sens de cette dissymétrie pouvant être inversé en inversant le sens de polarisation circulaire de la lumière incidente. Cette création de dissymétrie peut s'obtenir soit en l'absence de champ extérieur, soit en présence d'un champ magnétique ou d'un champ électrique. En présence d'un champ extérieur les divers sous-niveaux m (dans le cas d'un champ magnétique) ou m ) (dans le cas d'un champ électrioue) sont énergétiquement distincts, et la création d'une dissymétrie de population par le procédé optique correspond à une augmentation ou à une diminution de la « température de spin ». 2° Une dissymétrie de population des sous-niveaux m de l'état fondamental peut être détectée optiquemént par l'examen de l'intensité et de la polarisation des radiations de résonance optique. L'emploi de récepteurs photoélectriques et l'utilisation d'une technique de modulation permettent une détection commode et sensible. 3° L'examen optique des diverses branches en lesquelles se divise un pinceau atomique dans l'expérience de Stern et Gerlach permet le contrôle du niveau quantique m des atomes de chacune de ces branches. Cette méthode optique permet d'étendre l'analyse magnétique des atomes dans l'expérience de Stern et Gerlach à l'étude des niveaux excités métastables. 4° Dans les expériences de résonance magnétique, les transitions induites par le champ magnétique oscillant de radiofréquence tendent à détruire l'inégalité de population des niveaux m. L'étude de la résonance magnétique des atomes d'un faisceau atomique peut donc se faire en remplaçant les champs magnétiques non uniformes du dispositif de Rabi, l'un par un producteur optique de dissymétrie qui précède le dispositif de résonance magnétique, l'autre par un détecteur optique de dissymétrie à la sortie du résonateur. La méthode optique permet d'étendre l'étude de la résonance magnétique à des niveaux métastables. Cette méthode permet d'étudier les transitions entre niveaux hyperfins dans un champ nul, les effets Zeeman hyperfins dans des champs faibles et les effets Paschen-Back hyperfins dans des champs forts. Grâce à la connexion entre l'effet Zeeman hyperfin et l'effet Paschen'Back hyperfin on peut ainsi analyser'optiquement la résonance nucléaire pure dans des champs qui découplent les vecteurs t7 et l. Enfin, l'étude de l'effet Stark d'un niveau atomique par la méthode de résonance peut également se faire optiquement. Le procédé d'étude optique d'un faisceau atomique permet l'emploi de faisceaux larges et à contours assez mal définis. L'appareillage à réaliser pour cette étude est donc simple et peu coûteux. . 5° La sensibilité de la détection du phénomène de résonance magnétique par les procédés radioélectriques d'induction ou d'absorption est limitée par la faible valeur du facteur — qui régit la dissymétrie naturelle de population des niveaux m. Ceci nécessite l'utilisation de matière sous forte concentration à Fêtât de solide, de liquide ou de gaz comprimé. En créant par irradiation de la cuve de résonance magnétique une dissymétrie artificielle des niveaux m on peut rendre les gaz ou vapeurs sous faible pression accessibles à ces procédés de détection. Il est intéressant également d'étudier , Faction que peut avoir une irradiation sur l'intensité de la résonance magnétique de cristaux contenant des ions paramagnétiques absorbants et fluorescents.

Claude N. Cohen-Tannoudji

E. I. Bogdanov

A. Cassimi

Nous presentons la premiere realisation d'un laser lna (la#1#-#xnd#xal#1#1o#1#9) pompe longitudinalement par une diode laser. Ce laser est relativement compact et presente un rendement global de 6%. La puissance emise maximale est de 100 mw pour 500 mw de pompe. Ce laser est accordable dans la bande 1,045-1,090 m. Son utilisation nous a permis une etude du pompage optique de l'atome d'helium en excitation laser ainsi que son application a la magnetometrie. Les phenomenes physiques que nous avons mis en uvre sont: la resonance parametrique; la resonance magnetique electronique; la resonance induite par pompage optique module en intensite. La dependance en amplitude des signaux de resonance magnetique electronique en fonction de l'angle entre le faisceau de pompage optique et le champ magnetique a ete aborde theoriquement et experimentalement. Nous developpons le calcul theorique des signaux de resonance induits par pompage optique module en intensite et presentons nos premiers resultats experimentaux

J.C. Lehmann

L'étude de l'orientation nucléaire par pompage optique est faite dans des conditions plus générales que celles envisagées jusqu'à présent. On s'intéresse, en particulier, à l'influence de la grandeur de la structure hyperfine du niveau excité par rapport à sa largeur naturelle, ainsi qu'aux effets du découplage partiel de cette structure hyperfine par le champ magnétique. Le formalisme de la matrice densité permet d'exposer les résultats obtenus sous une forme très générale. Parmi les effets nouveaux prévus, on peut citer la dissymétrie des pompages optiques en σ- et en σ + pour des valeurs intermédiaires du découplage hyperfin. De ce fait résulte la possibilité d'obtenir une orientation nucléaire par pompage optique en lumière naturelle. Par ailleurs, lorsque la structure hyperfine du niveau excité est de l'ordre de grandeur de sa largeur naturelle, l'efficacité du cycle de pompage optique est diminuée. Dans cette même hypothèse, on a pu prévoir l'existence de nouveaux processus produisant le déplacement de la raie de résonance magnétique de l'état fondamental sous l'influence de l'irradiation lumineuse, et apportant des caractères nouveaux à la modulation de la lumière de fluorescence lors d'une expérience de résonance magnétique. Les résultats de cette étude sont explicités dans le cas particulier d'un spin nucléaire I = 1,2. Ce cas correspond aux isotopes 111Cd et 113Cd sur lesquels la présente théorie est en cours de vérification expérimentale.

Warren S. Warren