MESURES DE POLARISATION DE RAIES DU SPECTRE D'ATOMES DE CUIVRE EXCITÉS ET ORIENTÉS PAR IMPACT D'ÉLECTRONS, EN RELATION AVEC L'ÉNERGIE DES ÉLECTRONS ET LA PRÉSENCE D'UN CHAMP MAGNÉTIQUE
H.‐U. Martyn, Michael v. Hartrott, Gebhard von Oppen
Les atomes de cuivre d'un faisceau atomique, pris dans l'état fondamental 4 s 2S1/2- ont été excités par des électrons de quantité de mouvement initiale parallèle à un champ magnétique statique. On a mesuré, pour différentes énergies ( < 200 eV) et dans la direction perpendiculaire au faisceau d'électrons, la polarisation des raies provenant des niveaux 4 p 2P1/2,3/2- et 4 d 2D3/2, 5/2-, en relation avec le champ magnétique statique (entre 0 et 80 œ). Pour la raie 3 273 Å (2P1/2-2S1/2), en accord avec la théorie, on n'a observé aucune polarisation. En ce qui concerne la raie 3 247 Å (2P3/2-2S1/2), le champ magnétique appliqué était trop faible pour influer sur la polarisation, qui passe de valeurs positives aux basses énergies des électrons à des valeurs négatives pour des énergies plus élevés. Mais, comme les structures hyperfines des niveaux 4 d 2D sont plus faibles, un découplage a été observé, et on a mesuré un accroissement prononcé des raies 5 153 et 5 218 Å (2D3/2-2P1/2 et 2D5/2-2P3/2) quand on passe d'un champ magnétique faible un plus fort. La polarisation atteint sa valeur moyenne entre celles des champs faibles et forts 26 œ pour la raie 5 153 Å et à 11 œ pour la raie 5 218 Å. On discute la polarisation de la raie 5 153 Å par rapport au facteur A et à la durée de vie du niveau 2D3/2 en utilisant la formule de Breit, légèrement modifiée, pour la résonance optique. Le transfert plus important du moment cinétique dans le processus d'excitation rend plus compliqués les calculs de polarisation de la raie 5 218 Å.
Les atomes de cuivre d'un faisceau atomique, pris dans l'état fondamental 4 s 2S1/2- ont été excités par des électrons de quantité de mouvement initiale parallèle à un champ magnétique statique. On a mesuré, pour différentes énergies ( < 200 eV) et dans la direction perpendiculaire au faisceau d'électrons, la polarisation des raies provenant des niveaux 4 p 2P1/2,3/2- et 4 d 2D3/2, 5/2-, en relation avec le champ magnétique statique (entre 0 et 80 œ). Pour la raie 3 273 Å (2P1/2-2S1/2), en accord avec la théorie, on n'a observé aucune polarisation. En ce qui concerne la raie 3 247 Å (2P3/2-2S1/2), le champ magnétique appliqué était trop faible pour influer sur la polarisation, qui passe de valeurs positives aux basses énergies des électrons à des valeurs négatives pour des énergies plus élevés. Mais, comme les structures hyperfines des niveaux 4 d 2D sont plus faibles, un découplage a été observé, et on a mesuré un accroissement prononcé des raies 5 153 et 5 218 Å (2D3/2-2P1/2 et 2D5/2-2P3/2) quand on passe d'un champ magnétique faible un plus fort. La polarisation atteint sa valeur moyenne entre celles des champs faibles et forts 26 œ pour la raie 5 153 Å et à 11 œ pour la raie 5 218 Å. On discute la polarisation de la raie 5 153 Å par rapport au facteur A et à la durée de vie du niveau 2D3/2 en utilisant la formule de Breit, légèrement modifiée, pour la résonance optique. Le transfert plus important du moment cinétique dans le processus d'excitation rend plus compliqués les calculs de polarisation de la raie 5 218 Å.
En Physique de l'atome les méthodes mettant en jeu l'évolution des moments magnétiques d'états excités sous l'influence de champs extérieurs, évolution détectée par l'intermédiaire de la lumière émise, se sont révélées très fécondes. En particulier, par résonance magnétique, par dépolarisation magnétique, par croisements de niveaux, de nombreuses données spectroscopiques ont été obtenues, ainsi que des informations sur les différents processus de collisions atomes-atomes excités. Ces méthodes nécessitent l'obtention d'une anisotropie de la distribution des moments cinétiques dans l'état excité étudié, anisotropie qui peut être obtenue soit par excitation électronique à l'aide d'électrons lents, soit par excitation optique en lumière polarisée [1]. En Physique de l'atome les méthodes mettant en jeu l'évolution des moments magnétiques d'états excités sous l'influence de champs extérieurs, évolution détectée par l'intermédiaire de la lumière émise, se sont révélées très fécondes. En particulier, par résonance magnétique, par dépolarisation magnétique, par croisements de niveaux, de nombreuses données spectroscopiques ont été obtenues, ainsi que des informations sur les différents processus de collisions atomesatomes excités. Ces méthodes nécessitent l'obtention d'une anisotropie de la distribution des moments cinétiques dans l'état excité étudié, anisotropie qui peut être obtenue soit par excitation électronique à l'aide d'électrons lents, soit par excitation optique en lumière polarisée [1]. Divers progrès de la technologie ont permis d'étendre ces méthodes vers des états moléculaires excités, l'anisotropie de l'excitation étant produite soit par voie optique (coïncidence avec une raie atomique, radiation laser, bande moléculaire), soit par excitation électronique, des travaux expérimentaux et théoriques ayant montré cette possibilité [2], [3]. Des expériences ont été réalisées sur H2 [4], NO [5], OH [6], Na2 [7], CS [8], I2 [9]. Quelques exemples sont détaillés afin de montrer les possibilités de la méthode : – L'effet Hanle (dépolarisation magnétique) fournit la valeur du produit gτ (g facteur de Landé, τ durée de vie) dans la mesure où des effets de découplage n'interviennent pas. La discussion est présentée dans le cas des niveaux A2Σ + (ν = 1,K' = 1) J' = 25/2 et J' = 27/2 de NO [5] et de niveaux de I2 [9] excités par voie optique. – Par excitation électronique des travaux ont été faits sur les états électroniques excités 2 p 2 p 1K, 1 s 3 d Σ +g, 1 s 3 p Πu de H2 [4]. L'étude critique de la position et de la forme de raie de la résonance magnétique, ainsi que celle des effets de cascade éventuels, a permis d'évaluer l'écart de structure fine J = 2 ↔ J = 1 trouvé égal à 174 ±10 MHz de l'état 1 s 2 p Πu, K' = 1, ν' = 0 [10]. L'élargissement des courbes de dépolarisation magnétique en fonction de la pression permet d'obtenir des renseignements sur les processus de collision état fondamental-état excité et d'en déterminer les sections efficaces et la durée de vie radiative du niveau. – L'étude de l'intensité et de l'état de polarisation de la lumière émise en présence d'un champ magnétique et d'un champ électrique a été faite dans le cas du niveau A 1Π ν' = 0, pour différentes valeurs de J dans CS [8]. L'étude critique des résultats des différentes expériences (transitions dipolaires électriques de radiofréquence en présence ou non de champ électrique statique, dépolarisation magnétique, dépolarisation en présence de champ électrique, croisements de niveaux en présence de champs électrique et magnétique) a conduit aux valeurs du A doubling, du moment dipolaire électrique et à la durée de vie des états étudiés. L'utilisation, en particulier, de laser à longueur d'onde variable devra permettre l'extension des méthodes d'excitation optique [11], et l'emploi de dispositifs interférentiels pour isoler les transitions étudiées permettra de généraliser à d'autres molécules [12] l'emploi de la méthode d'excitation électronique.
La mesure de champs magnétiques faibles est utile pour des applications telles que la géophysique, ou l'imagerie médicale. Celles-ci bénéficieraient tout particulièrement d'une mesure vectorielle des trois composantes du champ magnétique avec un très faible niveau de bruit intrinsèque.Les progrès récents des magnétomètres à pompage optique en font la technologie la plus prometteuse pour ces applications, notamment pour la magnétoencéphalographie. Cependant la mesure simultanée des trois composantes du champ magnétique avec une sensibilité isotrope et suffisamment bonne n'est pas aisée pour ces magnétomètres de par leur principe même : le pompage optique étant associé à une brisure symétrie.Ce travail présente de nouvelles architectures visant à obtenir une telle sensibilité isotrope en utilisant les résonances paramétriques d'ensembles atomiques pompés optiquement. Nous utilisons la théorie du pompage optique et le formalisme de l'atome habillé afin d'étudier plusieurs configurations de tels magnétomètres utilisant un seul faisceau lumineux. Deux schémas semblent particulièrement prometteurs, et requièrent une espèce atomique pouvant être préparée dans un état aligné. Nous les étudions expérimentalement avec l'état métastable de l'hélium-4.Le premier de ces schémas repose sur l'amélioration des magnétomètres à résonance paramétrique pompés en polarisation linéaire. Nous montrons d'abord qu'il est possible d'augmenter la sensibilité à la composante parallèle à la direction du pompage optique en augmentant l'intensité de la lumière. Nous calculons analytiquement les corrections à apporter au signal et étudions expérimentalement le gain en rapport signal à bruit qu'elles impliquent pour mesurer les trois axes en fonction de l'intensité de la lumière. Nous montrons qu'à l'intensité optimisant le rapport signal à bruit de chaque axe, la sensibilité à l'axe le moins sensible est améliorée et atteint 30% de celle des deux axes mieux résolus. Elle peut être améliorée au delà mais qu'au prix d'une dégradation de la sensibilité à ces deux autres axes. Cette méthode peut s'avérer intéressante pour des applications où le bruit intrinsèque du capteur est secondaire, comme pour certaines mesures géophysiques, où une mesure vectorielle tri-axe juste est primordiale.Le deuxième schéma étudié est basé sur le pompage optique avec une lumière polarisée elliptiquement. Nous étudions théoriquement et expérimentalement le processus de pompage optique avec une telle lumière pour des états atomiques de spin un, ainsi que la dynamique des états résultants dans des champs magnétiques statiques et radio-fréquences. Cette étude nous permet d'identifier un ensemble de paramètres menant à une mesure des trois composantes avec une sensibilité isotrope. Nous caractérisons les performances de ce schéma et les comparons à celles du magnétomètre champ nul basé sur l'alignement atomique. L'isotropie est obtenue au prix d'une dégradation de 50% de la sensibilité par rapport aux deux axes les mieux résolus du magnétomètre de référence, mais avec une augmentation de la sensibilité de l'axe le moins résolu de 900%. Ce schéma ouvre d'intéressantes perspectives pour fabriquer des magnétomètres tri-axes avec une sensibilité isotrope et un faible niveau de bruit intrinsèque.Enfin, une récente étude démontre le fonctionnement d'un magnétomètre champ nul à hélium-4 en champ terrestre. Cela ouvre des perspectives intéressantes telles que la magnétoencéphalographie sans blindage magnétique. Cependant, en champ terrestre il existe des gradients et il est habituel de trouver un fort bruit magnétique environnemental. Nous étudions expérimentalement l'effet des gradients sur les résonances d'effet Hanle. Nous étudions également la possibilité qu'offrirait une mesure gradio-métrique pour la réjection du bruit environnemental dans un lieu très bruité afin de statuer sur la faisabilité d'une mesure de magnétoencéphalographie sans blindage magnétique dans un hôpital.
La lumière absorbée par une vapeur atomique soumise à un pompage optique transversal varie de manière résonnante lorsqu'on balaie le champ magnétique statique au voisinage du point de croisement en champ nul des sous-niveaux Zeeman de l'état fondamental (effet Hanle). Des résonances analogues apparaissent lorsqu'on effectue le pompage optique transversal de la vapeur atomique dans un champ modulé en amplitude (résonances paramétriques). La très grande finesse des raies ainsi observées sur les atomes alcalins les rend très intéressantes pour la détection et la mesure des champs magnétiques très faibles. On discute les propriétés de ces deux types de résonances et on met en évidence les avantages qu'il y a à utiliser les résonances paramétriques.
En raison de leur finesse, les résonances de croisement de niveaux observables en champ nul dans l'état fondamental des alcalins sont intéressantes pour la détection des champs magnétiques très faibles. En particulier, des champs inférieurs à 10-9 G ont été mesurés en ajoutant un champ de radiofréquence parallèlement au champ à mesurer. Nous montrons dans cet article que des résonances intéressantes apparaissent également lorsqu'on balaie le champ statique dans une direction quelconque par rapport au champ de radiofréquence ou lorsqu'on ajoute un deuxième champ de R. F. perpendiculaire au premier. Nous avons calculé rigoureusement la forme des signaux et nous les avons mis en évidence expérimentalement. Nous montrons qu'on peut utiliser ces signaux pour mesurer les trois composantes du champ magnétique : nous proposons pour cela deux méthodes de caractéristiques complémentaires, l'une utilisant un seul champ de R. F., la seconde en utilisant deux.
Dans les systèmes magnétiques, la spectroscopie du bruit fondamental dû aux fluctuations aléatoires du spin, appelée spectroscopie du bruit de spin (SNS), est réalisée optiquement en mesurant les fluctuations de la rotation de Faraday subie par un faisceau sonde polarisé linéairement se propageant à travers l'échantillon. Cette méthode a été appliquée avec succès depuis le début du siècle pour sonder la structure énergétique et les canaux de relaxation dans divers milieux, tels que les vapeurs atomiques à température ambiante, les semi-conducteurs ou les puits quantiques.Cette thèse étudie la possibilité d'appliquer la SNS afin d'étudier les interactions entre le système et son environnement ou bien au sein du système. Cette étude est menée dans des cellules contenant deux vapeurs atomiques différentes: une vapeur d'hélium métastable et une vapeur de rubidium en abondance naturelle, et est appuyée par des simulations numériques basées sur l'évolution de la matrice densité du système.Dans un premier temps, je montre que l'action de champs externes sur la cellule d'hélium métastable place le système hors d'équilibre, et que les perturbations engendrée sur la dynamique des spins permettent de quantifier l'interaction entre les atomes et ces champs. En particulier, un faisceau sonde intense sépare la résonance de spin usuelle en deux, et la mesure de ce splitting permet une estimation précise du décalage en énergie des niveaux Zeeman dans l'état métastable. Ensuite, je montre théoriquement que l'action d'un champ magnétique fluctuant dans le temps est d'exciter du bruit de spin de manière résonante, s'il est suffisant large bande. La mesure de ce bruit hors équilibre se distingue néanmoins de celle du bruit thermique par sa dépendance en la polarisation du faisceau sonde, ainsi que par sa statistique non-gaussienne.Enfin, je montre l'apparition d'un régime de bruit de spin collectif dans la cellule de rubidium à suffisamment haute densité. Ce régime se traduit par un élargissement drastique des résonances de spins, inexplicable par les processus connus de la littérature, ainsi que par l'apparition d'une composante supplémentaire de bruit large bande, jamais observée jusqu'ici. A l'aide de simulations numériques à deux corps, incluant les interactions optiques ainsi que le mouvement des atomes, je montre que ces effets atypiques sont dus au couplage dipole-dipole résonant entre atomes induit par le champ sonde. Dans ce régime d'interactions fortes, les fluctuations de spins ne peuvent plus être décrites de manière satisfaisante par une approche de champ moyen, ouvrant la voie vers la mesure de bruit de spins à plusieurs corps dans des systèmes plus fortement corrélés.
On expose dans cet article une nouvelle méthode permettant d'orienter des états atomiques excités ; cette méthode fait intervenir les trois processus suivants : — on crée par pompage optique une orientation nucléaire dans l'état fondamental des atomes d'une vapeur ; — une décharge H. F. porte les atomes dans divers états excités, sans détruire leur orientation nucléaire. — l'orientation nucléaire ainsi obtenue dans chaque niveau excité peut être transformée en orientation électronique, par l'intermédiaire du couplage hyperfin aI. J ; la lumière émise par la décharge est alors polarisée. L'étude théorique de l'orientation électronique obtenue par cette méthode a été effectuée, de façon à mettre en évidence l'influence des diverses caractéristiques du niveau excité, ainsi que celle du champ magnétique. Cette méthode a été utilisée pour orienter divers niveaux excités de 3He. Une étude détaillée a été effectuée pour les niveaux 3 1D, 4 1 D et 5 1D, notamment dans le cas où un champ magnétique statique introduit un découplage hyperfin partiel ; ces expériences ont conduit à une mesure de la structure hyperfine de ces trois niveaux.