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Journal de physique

Anisotropie des propriétés magnétiques d'un atome « habillé » par des photons de RF

C. Landré, Claude N. Cohen-Tannoudji, J. Dupont-Roc, S. Haroche

Published Jan 1, 1970• 18 citations
Publisher

Abstract

On montre théoriquement et expérimentalement que les propriétés magnétiques d'un atome « habillé » par un champ de radiofréquence linéaire et non résonnant H1 cos ωt sont anisotropes : le facteur de Landé dépend de l'angle entre le champ statique Ho et H1 ; la précession de Larmor n'est plus circulaire mais elliptique. On introduit un formalisme opératoriel commode, qui permet d'écrire simplement l'équation pilote du problème et d'interpréter quantitativement les divers effets précédents.

DOI
10.1051/jphys:019700031011-12097100

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•Jul 12, 2007•0 citations
On montre théoriquement et expérimentalement que les propriétés magnétiques d'un atome « habillé » par un champ de radiofréquence linéaire et non résonnant H1 cos ωt sont anisotropes : le facteur de Landé dépend de l'angle entre le champ statique Ho et H1 ; la précession de Larmor n'est plus circulaire mais elliptique. On introduit un formalisme opératoriel commode, qui permet d'écrire simplement l'équation pilote du problème et d'interpréter quantitativement les divers effets précédents.
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).
On étudie le mouvement d'un dipôle magnétique dont on module la fréquence de Larmor en le plaçant dans un champ magnétique H0 + H1 cos ωt, modulé en amplitude. Le champ de radiofréquence H1 cos ωt est traité quantiquement. On montre que l'apparition de fréquences latérales dans le mouvement du dipôle est due à des absorptions et réémissions virtuelles de photons de radiofréquence par le système atomique. Ceci permet d'interpréter certaines caractéristiques de nouvelles résonances magnétiques observées récemment dans des expériences de pompage optique transversal.
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.
Un atome irradié par des photons non résonnants peut les absorber et réémettre virtuellement ; il est en quelque sorte "habillé" par les photons du champ électromagnétique dans lequel il est plongé. Nous montrons dans cet article comment les propriétés physiques d'un atome "habillé" par des photons optiques ou de radiofréquence diffèrent de celles de l'atome isolé et décrivons les expériences qui ont permis de mettre en évidence les effets correspondants. Quelques applications pratiques sont également envisagées.
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.
Cette thèse aborde des questions relatives à la physique des échelles de spins dopées connues pour être un supraconducteur quasi-unidimensionnel et non conventionnel. Un accent particulier est mis sur les propriétés sous champ magnétique. Les modèles d'électrons fortement corrélés sur ces échelles sont étudiés en utilisant les méthodes numériques adaptées à la physique unidimensionnelle que sont la diagonalisation exacte et le groupe de renormalisation de la matrice densité (DMRG). Les résultats sont également éclairés par les interprétations issues de la théorie du liquide de Luttinger. La prise en compte d'un terme d'échange cyclique met tout d'abord en évidence le rôle des fluctuations magnétiques dans le mécanisme d'appariement des trous. Son influence sur la dynamique des excitations de spin est également présentée. Ces excitations sont ensuite sondées en couplant le spin des électrons au champ magnétique par effet Zeeman. On montre alors l'existence de plateaux d'aimantation contrôlés par le dopage en trous ainsi que d'une phase supraconductrice inhomogène de type FFLO associée à un dépassement de la limite de Pauli. Lorsqu'un flux traverse l'échelle, le champ magnétique se couple à la charge de l'électron par effet orbital. La réponse diamagnétique orbitalaire de l'échelle dopée permet de sonder les phases commensurables du modèle t-J présentes à faible J/t. Des fluctuations de courant transverse sont également observées dès que le champ magnétique est branché. Enfin, ce manuscrit rapporte des résultats numériques sur le modèle de Hubbard attractif de spin 3/2 qui révèlent l'existence d'une phase moléculaire superfluide d'états liés à quatre fermions : les quartets. La compétition observée entre fluctuations de charge et superfluidité est mise en perspective avec les résultats sur les échelles dopées.