Refroidissement laser d'un nuage d'ions Ca+ en piège de Paul

Martina Knoop, J. Rink, M. Vedel +1 more

Marius Romuald Kamsap

Cette thèse a été effectuée dans le cadre d’un projet qui vise à explorer les facteurs limitants des performances d’une horloge à ions dans le domaine des fréquences micro-onde. Ce travail repose sur l’observation et la manipulation d’un grand nuage d’ions dans des potentiels de géométries différentes. Le but est l’analyse et le transport d’un grand nuage pouvant dépasser 10^6 ions dans un piège radio-fréquence linéaire à plusieurs zones. Dans notre groupe, nous disposons d’un piège à trois zones destiné au piégeage d’ions calcium : deux parties quadrupolaires et une partie octupolaire montées en ligne. Les ions sont créés dans la première partie quadrupolaire par photo-ionisation et refroidis par laser le long de l’axe de symétrie du piège. Nous avons d’abord étudié comment créer dans la première partie du piège un grand nuage. La limite actuelle des paramètres de confinement et de refroidissement laser permet de confiner et de détecter des nuages de taille maximale de 1, 2.105 ions. Ensuite grâce à un protocole de transport optimisé, ces ions sont transportés dans la deuxième partie du piège puis dans l’octupole avec une efficacité pouvant atteindre 100% pour des tailles de nuage dépassant les 105 ions. Tous les protocoles de transport sont au moins un facteur 10^3 plus rapide que le transport adiabatique. Une analyse du nombre d’ions quittant le piège d’origine en fonction de la durée du transport montre une alternance entre une grande probabilité de départ et une probabilité nulle. De plus, ce comportement révèle une différence entre les deux sens du transport. Nous exploitons cette asymétrie pour ajouter des ions dans le deuxième ou troisième piège sans perte du nuage initialement pré- sent. Cette technique d’accumulation a permis d’augmenter le nombre d’ions piégés mesuré à 2, 5.10^5 ions dans le deuxième et troisième piège. Des paramètres du système tels que la puissance laser disponible pour le refroidissement et l’extension des dimensions du nuage semblent être les facteurs limitant ce nombre. Enfin, dans le piège octupolaire, l’observa- tion de la fluorescence induite des ions montre que, soumis au refroidissement laser, les ions s’organisent dans trois puits de potentiel distincts. Ceci est en contradiction avec la structure creuse prévue par le modèle fluide analytique et les simulations de dynamique moléculaire. La cause de cette différence est un minuscule défaut d’environ 1% dans la symétrie octupolaire des barreaux qui conduit à des minima locaux harmoniques dans le puits de potentiel multipolaire. Ce travail participe à l’amélioration de la stabilité des hor- loges micro-onde à ions en fournissant des pistes pour augmenter la taille des nuages froids piégés, pour transporter rapidement de grands nuages en phase gazeuse et en mettant en évidence la sensibilité de l’organisation des ions refroidis par laser aux défauts de symétrie dans les multipoles.

Martina Knoop, J. Rink, M. Vedel +1 more

Martina Knoop

Le présent rapport résume mon travail de recherche sur l'ion Ca+ effectué au cours de la dernière décennie. Les travaux préliminaires effectués dans un piège de Paul classique sont brièvement revus. Il s'agit notamment des mesures de durées de vie dans un nuage d'ions chauds ainsi qu'une étude des effets collisionnels pouvant réduire la durée de vie du doublet métastable 3D. Un piège miniature a ensuite été monté pour permettre l'accès au régime de Lamb-Dicke avec un ion unique. Ce piège a d'abord été caractérisé, avant d'entrer dans une phase d'optimisation du refroidissement laser et de la réduction du nombre des particules. L'observation des sauts quantiques d'un ion unique a servi à la mesure des durées de vie du niveau métastable, préparation pour l'interrogation de la transition d'horloge dans des conditions bien contrôlées. La réduction du micromouvement "excessif" a été abordée par différentes techniques, notamment par l'observation des résonances noires en variant la géométrie des faisceaux lasers. Les travaux en cours sur l'observation du spectre de bandes latérales du mouvement d'un ion unique sur la transition d'horloge sont discutés. L'étude théorique des effets systématiques prépare les conditions expérimentales nécessaires pour la métrologie des fréquences.

Nicolas Sagna

Benjamin Szymanski

Cette thèse s'inscrit dans le domaine général de l'information quantique, qui propose de réaliser des protocoles de traitement de l'information en utilisant les lois de la mécanique quantique. Ce travail se focalise sur l'un des systèmes les plus prometteurs : les ions uniques confinés dans des pièges radio-fréquence (pièges de Paul) et refroidis par laser. Le but de cette thèse est de mettre en places les outils (systèmes de mesure et échantillons) permettant de caractériser le « chauffage anormal », phénomène à se jour non totalement compris, limitant la cohérence de ions piégés dans des pièges de Paul linéaires planaires.Après une introduction sur l'information quantique, les principes de piégeage et de refroidissement sont expliqués. Vient ensuite une description des améliorations effectuées sur un système expérimental de piégeage et de refroidissement d'ions. La modélisation des champs électriques de piégeage permettant de contrôler les pièges est présentée. Une première réalisation de piégeage sur un piège de Paul linéaire planaire est décrite. Celle-ci à permis l'obtention de cristaux de Coulomb planaires de grandes dimension (N>150). Le protocole de réalisation de pièges de Paul linéaires planaire de taille micro-métriques, fabriqués en salle blanche, est décrit. Les résultats du piégeage d'ions sur de tels micro-pièges sont présentés. Cette dernière partie présente des premiers résultats de l'équipe concernant le chauffage anormal, utilisant la technique dite du « Doppler recoiling ».