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Journal de physique

Étude théorique de diverses résonances observables en champ nul sur des atomes « habillés » par des photons de radiofréquence

J. Dupont-Roc

Published Jan 1, 1971• 38 citations
Publisher

Abstract

On présente une théorie de diverses résonances observables en champ nul sur des atomes pompés optiquement et soumis à l'action d'un ou plusieurs champs de RF (résonances paramétriques). L'intérêt expérimental de ces résonances a été souligné dans une publication antérieure, notamment en ce qui concerne la mesure des 3 composantes d'un champ magnétique statique très faible (de l'ordre de 10-9 gauss). On montre ici que le formalisme de l'atome «habillé» permet de simplifier considérablement le calcul de divers signaux observables expérimentalement, en particulier lorsque le champ statique a une direction quelconque par rapport au champ RF ; ou qu'on applique 2 champs de RF (au lieu d'un).

DOI
10.1051/jphys:01971003202-3013500

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Détermination par des méthodes optiques des trois composantes d'un champ magnétique très faible

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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.

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Diverses résonances de croisement de niveaux sur des atomes pompés optiquement en champ nul. I. Théorie

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Revue de Physique Appliquée•Jan 1, 1970•144 citations

Diverses résonances de croisement de niveaux sur des atomes pompés optiquement en champ nul II. Applications à la mesure de champs faibles

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On décrit la réalisation et les performances d'un magnétomètre utilisant les résonances de croisement de niveaux étudiées dans la communication précédente et observées sur une vapeur de 87Rb pompée optiquement. La très grande finesse des résonances (de l'ordre de 1 μG) permet la détection de champs très faibles, de l'ordre de 10-9 à 10-10 G avec une constante de temps de 3 s à la détection. On décrit également une expérience de détection à l'aide de ce magnétomètre du champ magnétique statique créé par des noyaux de 3He orientés en phase gazeuse.

Revue de Physique Appliquée•Jan 1, 1970•47 citations

Absorption et diffusion de photons optiques par un atome en interaction avec des photons de radiofréquence

Claude N. Cohen-Tannoudji, S. Haroche

Diverses résonances étudiées dans un précédent article sont réinterprétées en utilisant le concept d'atome « habillé » par des photons de radiofréquence. On montre que ces résonances sont étroitement liées aux croisements et anticroisements qui apparaissent dans le diagramme d'énergie de cet atome « habillé ». Ce point de vue suggère l'étude d'effets nouveaux. Le facteur de Landé de l'atome « habillé » peut, dans certains cas, différer considérablement de celui de l'atome « nu » et parfois même s'annuler. Ceci modifie de façon importante le spectre d'absorption de l'atome « habillé » en champ faible et l'effet de dépolarisation magnétique.

Journal de physique•Jan 1, 1969•162 citations

Étude théorique et expérimentale des transitions à plusieurs quanta entre les sous-niveaux Zeeman d'un atome

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Des expériences récentes ont montré que l'on peut observer des transitions dipolaires magnétiques n'obéissant pas aux règles de sélection Δm = ± 1,0 (m étant la projection du moment angulaire total de l'atome sur le champ statique H0). L'influence d'un champ magnétique oscillant de pulsation ω sur les sous-niveaux Zeeman d'un atome a été étudiée d'une façon assez détaillée. Trois cas sont à distinguer : 1) Le champ perturbateur est un champ tournant perpendiculaire à H0 (pulsation ω, amplitude H1 ). Il y a résonance chaque fois que la pulsation ω obéit à l'équation E(m) — E(m') = ħω(m — m') E(m) étant l'énergie d'un état m. Au voisinage d'une résonance, il est possible de calculer complètement la probabilité de transition. 2) Le champ oscillant est un champ elliptique (d'orientation quelconque par rapport à H 0). Un nouveau type de résonance apparaît alors. Supposons par exemple J = 1/2 (I = 0) ; en plus de la résonance ħ ω = E(+ 1/2) — E(— 1/2) obtenu dans le 1er cas, on montre qu'il y a résonance chaque fois que la relation pħ ω = E(+ 1/2) — E(—1/2) est vérifiée (p entier quelconque). L'existence de telles transitions peut se comprendre en invoquant la loi de conversation du moment angulaire total du système constitué par l'atome et les photons de radiofréquence. 3) Il y a deux champs oscillants à des fréquences différentes ω et ω' : Dans le cas J = 1/2 I = 0. Il y a résonance chaque fois que E(1/2) — E(—1/2) = ħ(p ω + q ω') (p, q entier positif ou négatif). Dans les trois cas, nous avons calculé les déplacements, largeurs et intensités des résonances en fonction de l'intensité H1 du champ de radiofréquence. Ces théories ont été vérifiées expérimentalement sur l'état fondamental de l'atome de sodium (J = 1/2, I = 3/2). Nous avons employé une vapeur saturante de sodium orientée optiquement en présence d'un gaz étranger. Les résonances sont détectées optiquement. Les vérifications ont porté sur les points suivants : 1) Mise en évidence des résonances multiples, 2) position des résonances, 3) variation de leur largeur et de leur intensité avec H1. En particulier nous avons vérifié que les déplacements des résonances varient toujours comme H 21 alors que la largeur d'une résonance utilisant p quanta varie comme Hp1. L'accord entre la théorie et l'expérience est bon. Nous avons également mesuré les largeurs de raies pour de faibles niveaux de radiofréquence ce qui nous permet de déterminer la largeur de raie provenant de la relaxation. Elle est de l'ordre de 200 cycles.

Journal de physique•Jan 1, 1958•22 citations

Métrologie de champs électromagnétiques RF par spectroscopie de déplétion de piège à partir d'atomes froids de Rydberg

Romain Duverger

Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.

•Dec 20, 2024•0 citations
On présente une théorie de diverses résonances observables en champ nul sur des atomes pompés optiquement et soumis à l'action d'un ou plusieurs champs de RF (résonances paramétriques). L'intérêt expérimental de ces résonances a été souligné dans une publication antérieure, notamment en ce qui concerne la mesure des 3 composantes d'un champ magnétique statique très faible (de l'ordre de 10-9 gauss). On montre ici que le formalisme de l'atome «habillé» permet de simplifier considérablement le calcul de divers signaux observables expérimentalement, en particulier lorsque le champ statique a une direction quelconque par rapport au champ RF ; ou qu'on applique 2 champs de RF (au lieu d'un).
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.
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.
On décrit la réalisation et les performances d'un magnétomètre utilisant les résonances de croisement de niveaux étudiées dans la communication précédente et observées sur une vapeur de 87Rb pompée optiquement. La très grande finesse des résonances (de l'ordre de 1 μG) permet la détection de champs très faibles, de l'ordre de 10-9 à 10-10 G avec une constante de temps de 3 s à la détection. On décrit également une expérience de détection à l'aide de ce magnétomètre du champ magnétique statique créé par des noyaux de 3He orientés en phase gazeuse.
Diverses résonances étudiées dans un précédent article sont réinterprétées en utilisant le concept d'atome « habillé » par des photons de radiofréquence. On montre que ces résonances sont étroitement liées aux croisements et anticroisements qui apparaissent dans le diagramme d'énergie de cet atome « habillé ». Ce point de vue suggère l'étude d'effets nouveaux. Le facteur de Landé de l'atome « habillé » peut, dans certains cas, différer considérablement de celui de l'atome « nu » et parfois même s'annuler. Ceci modifie de façon importante le spectre d'absorption de l'atome « habillé » en champ faible et l'effet de dépolarisation magnétique.
Des expériences récentes ont montré que l'on peut observer des transitions dipolaires magnétiques n'obéissant pas aux règles de sélection Δm = ± 1,0 (m étant la projection du moment angulaire total de l'atome sur le champ statique H0). L'influence d'un champ magnétique oscillant de pulsation ω sur les sous-niveaux Zeeman d'un atome a été étudiée d'une façon assez détaillée. Trois cas sont à distinguer : 1) Le champ perturbateur est un champ tournant perpendiculaire à H0 (pulsation ω, amplitude H1 ). Il y a résonance chaque fois que la pulsation ω obéit à l'équation E(m) — E(m') = ħω(m — m') E(m) étant l'énergie d'un état m. Au voisinage d'une résonance, il est possible de calculer complètement la probabilité de transition. 2) Le champ oscillant est un champ elliptique (d'orientation quelconque par rapport à H 0). Un nouveau type de résonance apparaît alors. Supposons par exemple J = 1/2 (I = 0) ; en plus de la résonance ħ ω = E(+ 1/2) — E(— 1/2) obtenu dans le 1er cas, on montre qu'il y a résonance chaque fois que la relation pħ ω = E(+ 1/2) — E(—1/2) est vérifiée (p entier quelconque). L'existence de telles transitions peut se comprendre en invoquant la loi de conversation du moment angulaire total du système constitué par l'atome et les photons de radiofréquence. 3) Il y a deux champs oscillants à des fréquences différentes ω et ω' : Dans le cas J = 1/2 I = 0. Il y a résonance chaque fois que E(1/2) — E(—1/2) = ħ(p ω + q ω') (p, q entier positif ou négatif). Dans les trois cas, nous avons calculé les déplacements, largeurs et intensités des résonances en fonction de l'intensité H1 du champ de radiofréquence. Ces théories ont été vérifiées expérimentalement sur l'état fondamental de l'atome de sodium (J = 1/2, I = 3/2). Nous avons employé une vapeur saturante de sodium orientée optiquement en présence d'un gaz étranger. Les résonances sont détectées optiquement. Les vérifications ont porté sur les points suivants : 1) Mise en évidence des résonances multiples, 2) position des résonances, 3) variation de leur largeur et de leur intensité avec H1. En particulier nous avons vérifié que les déplacements des résonances varient toujours comme H 21 alors que la largeur d'une résonance utilisant p quanta varie comme Hp1. L'accord entre la théorie et l'expérience est bon. Nous avons également mesuré les largeurs de raies pour de faibles niveaux de radiofréquence ce qui nous permet de déterminer la largeur de raie provenant de la relaxation. Elle est de l'ordre de 200 cycles.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.