Nous présentons un nouvel outil destiné à atteindre la condensation de Bose-Einstein par refroidissement évaporatif d'atomes alcalins confinés dans un potentiel magnétique. Notre approche repose sur l'utilisation de matériaux ferromagnétiques pour générer le potentiel de piégeage. Elle nous permet d'obtenir un pouvoir de confinement efficace avec une puissance électrique faible (100 W). Après une expérience préliminaire qui nous a permis de valider l'utilisation d'un électroaimant à coeur de fer pur pour le piégeage magnétique d'atomes neutres, nous avons développé un électroaimant de seconde génération que nous avons, utilisé pour notre étude du refroidissement évaporatif d'un gaz de rubidium 87. Ce dispositif a pour particularité de piéger les atomes dans un champ magnétique élevé, de l'ordre de 00 Gauss. A cause de la valeur élevée du champ magnétique, l'effet Zeeman quadratique n'est plus négligeable et les transitions radio-fréquence entre sous-niveaux Zeeman adjacents ne sont plus résonnantes au même point Cette propriété a des conséquences dramatiques sur le refroidissement évaporatif dans l'état F=2 et conduit à une interruption de lévaporation. Une expérience d'évaporation à fréquence fixe nous a permis de mettre en évidence l'influence de cet effet. Nous avons également observé que le refroidissement d'un gaz piégé dans F=m=2 ne permet pas de diminuer la température en dessous de 50 J.!K. En revanche, le processus d'évaporation n'est pas affecté pour l'état hyperfm inférieur F=1 et nous avons pu atteindre la condensation de Bose-Einstein en refroidissant le gaz en dessous de 150 nK.
Nous présentons un nouvel outil destiné à atteindre la condensation de Bose-Einstein par refroidissement évaporatif d'atomes alcalins confinés dans un potentiel magnétique. Notre approche repose sur l'utilisation de matériaux ferromagnétiques pour générer le potentiel de piégeage. Elle nous permet d'obtenir un pouvoir de confinement efficace avec une puissance électrique faible (100 W). Après une expérience préliminaire qui nous a permis de valider l'utilisation d'un électroaimant à coeur de fer pur pour le piégeage magnétique d'atomes neutres, nous avons développé un électroaimant de seconde génération que nous avons, utilisé pour notre étude du refroidissement évaporatif d'un gaz de rubidium 87. Ce dispositif a pour particularité de piéger les atomes dans un champ magnétique élevé, de l'ordre de 00 Gauss. A cause de la valeur élevée du champ magnétique, l'effet Zeeman quadratique n'est plus négligeable et les transitions radio-fréquence entre sous-niveaux Zeeman adjacents ne sont plus résonnantes au même point Cette propriété a des conséquences dramatiques sur le refroidissement évaporatif dans l'état F=2 et conduit à une interruption de lévaporation. Une expérience d'évaporation à fréquence fixe nous a permis de mettre en évidence l'influence de cet effet. Nous avons également observé que le refroidissement d'un gaz piégé dans F=m=2 ne permet pas de diminuer la température en dessous de 50 J.!K. En revanche, le processus d'évaporation n'est pas affecté pour l'état hyperfm inférieur F=1 et nous avons pu atteindre la condensation de Bose-Einstein en refroidissant le gaz en dessous de 150 nK.
L'étude du régime de dégénérescence quantique pour les gaz dilluées d'alcalins a été rendue possible grâce à l'utilisation du refroidissement évaporatif dans les pièges magnétiques. Cette technique repose sur les collisions élastiques entre atomes froids. Pour étendre cette méthode au cas des atomes de césium 133, nous avons étudié la section efficace de collision élastique de ces atomes. Nous avons mis en évidence une forte variation de cette dernière avec la température, traduisant l'existence d'une résonance à énergie nulle. Nous avons ensuite montré la limitation du gain dans l'espace des phases, due aux collisions inélastiques qui prennent place au sein du gaz. Pour les deux états a priori bien adaptés à une expérience de condensation, l'état foublement polarisé F=m=4 et l'état hyperfin inférieur F=-m=3, nous avons mesuré des taux de collisions inélastiques exceptionnellement élevés en comparaison de ceux des autres alcalins. Dans les deux cas, la dépendance en température de ces taux a été systématiquement étudiée. Pour l'état hyperfin inférieur, un emballement du refroidissement évaporatif a néanmoins permis de gagner plus de cinq ordres de grandeur dans l'espace des phases, mais les collisions inélastiques ne nous ont pas permis d'atteindre le seuil de condensation de Bose-Einstein. Pour cet état, une forte dépendance en champ magnétique du taux inélastique a de plus été observé. L'expérience a ensuite été adaptée aux atomes de rubidium 87, et a conduit à l'observation de la condensation de Bose-Einstein. La caractérisation du condensat et sa durée de vie sont détaillées dans la thèse.
Ce mémoire de thèse développe plusieurs thèmes autour de la condensation de Bose-Einstein. Il présente différents moyens pour produire des condensat de Bose et termine par une application du condensat : le laser à atomes. Notre dispositif expérimental utilise des matériaux ferromagnétiques pour générer le piège magnétique. Le champ au centre de notre pi'ege est de l'ordre de la centaine de Gauss. Avec un tel champ, le refroidissement évaporatif par radio-fréquence peut être perturbé ou même interrompu car les fréquences de transition entre sous-niveaux Zeeman adjacents en un point donné du piège magnétique sont différentes. Pour résoudre ce problème, nous avons réalisé l'évaporation avec plusieurs fréquences rf simultanément. Par ailleurs, nous avons produit simultan'ement deux condensats de Bose-Einstein dans des états internes différents par refroidissement sympathique. Un modèle thermodynamique simple permet de comprendre les différents scénarios d'apparition des condensats observés expérimentalement. De plus un calcul du taux de thermalisation par collisions élastiques entre les deux espèces montre à quelle condition les deux gaz restent thermalisés au cours du refroidissement sympathique. Enfin nous avons produit et étudié des faisceaux d'atomes issus de nuages ultra-froids par un coupleur radio-fréquence. Avec notre fort champ magnétique, la stabilité relative nécessaire pour obtenir des faisceaux continus est d'environ 1:10 000. Lorsque la stabilité n'est pas suffisante, nous montrons qu'une modulation de fréquence ou d'amplitude de la rf permet de régulariser le flux du faisceau de sortie.
Dans ce manuscrit, je présente la presque totalité de mes travaux scientifiques depuis ma soutenance de thèse. Au cours de cette période, mon activité de recherche a été double : (i) j'ai pris en charge une nouvelle expérience visant à produire une source continue d'ondes de matière cohérentes, et (ii) j'ai développé des outils analytiques pour cerner la dynamique des gaz d'atomes froids piégés. Dans notre projet expérimental, un jet d'atomes froids et lents mais non dégénéré est couplé à un guide magnétique le long duquel un refroidissement par évaporation est mis en oeuvre. En d'autres termes, nous essayons de transposer les aspects temporels du protocole d'obtention des condensats de Bose Einstein dans le domaine spatial : dans notre montage les atomes sont progressivement refroidis grâce à des zones de refroidissement séparées spatialement. Une telle démarche doit permettre d'obtenir un flux continu d'atomes condensés. Une source de ce type, dont les propriétés sont radicalement différentes de celles d'une source thermique, pourrait constituer un outil de choix pour de nombreuses expériences. Les horlosges atomiques, les interféromètres à ondes de matière, l'holographie atomique ou encore la nanolithographie sont autant de domaines qui peuvent potentiellement bénéficier d'amélioration par l'usage d'une source continue et cohérente d'atomes froids. Dans le premier chapitre, je décris les différentes parties du dispositif expérimental et les premiers résultats que nous avons obtenus. Deux sources d'atomes ont été étudiées pour alimenter efficacement un piège magnéto-optique anisotrope qui sert d'injecteur d'atomes froids dans le guide magnétique : (i) un piège magnéto-optique purement bi-dimensionnel avec des faisceaux de refroidissement d'intensité relativement élevée , et (ii) un ralentisseur à effet Zeeman placé en sortie d'un four effusif à recirculation. Cette dernière source a permis de mesurer un taux de chargement de l'injecteur de 4×1010 atomes par seconde. Le confinement magnétique dans l'injecteur est assuré par un gradient de champ magnétique, alors que le lancement exploite la technique de la mélasse en mouvement. Le guide magnétique, dont l'entrée est placée à quelques centimètres seulement de l'injecteur, procure un gradient de confinement élevé sans altérer aucunement les performances de l'injecteur. Nous avons démontré, et pour la première fois, l'alimentation en continu d'un guide magnétique. Pour optimiser le transfert d'atomes, nous avons étudié différents protocoles de couplage en mode continu comme en mode pulsé. Les caractéristiques de notre jet atomique guidé sont désormais les suivantes : un flux de 7×109 atomes par seconde, une température de 400 micro K pour un confinement transverse de 600 Gauss/cm, et une vitesse moyenne de 1 m/s. Le deuxième chapitre est dédié à la physique des collisions au sein du jet d'atomes guidé magnétiquement. Nous présentons tout d'abord une nouvelle technique spectroscopique de mesure de la température du jet. Grâce à deux antennes radio-fréquences disposées le long du guide, nous avons pu mettre le jet dans un état hors d'équilibre, puis suivre le retour à l'équilibre grâce à l'antenne placée en aval. Cette expérience montre le phénomène de thermalisation dans un régime collisionnel dominé par les ondes d. Dans une deuxième série d'expériences, le jet a été ralenti à une vitesse de 60 cm/s grâce à une pente appliquée sur la première partie du guide magnétique. Le taux de collisions relativement élevé a permis d'amorcer le refroidissement par évaporation forcé. Une réduction de la température par un facteur 4 a ainsi été obtenue, correspondant à un gain en densité dans l'espace des phases d'un ordre de grandeur. Le dernier chapitre est consacré au développement de méthodes analytiques pour caractériser la dynamique des gaz piégés. Nous mis au point essentiellement deux outils. Le premier est la méthode dite des moyennes. Il a permis d'étudier les oscillations collectives d'un gaz classique, la mise en rotation d'un gaz par le biais d'une anisotropie tournante, et la dynamique de rethermalisation d'un mélange de gaz d'atomes froids. Cet outil a pu être étendu au cas d'un condensat de Bose Einstein dans le régime de Thomas-Fermi. Il a ainsi été possible d'étudier le mode ciseau. Ce mode d'oscillation pendulaire révèle les propriétés de superfluidité d'un condensat de Bose Einstein. Le deuxième outil que nous avons développé repose sur des solutions approchées par changement d'échelle de l'équation de Boltzmann. Nous avons montré ainsi que les temps de relaxation pertinents pour décrire l'amortissement des oscillations collectives d'un gaz classique piégé, et les expériences de temps de vol sont intimement reliés. Les deux méthodes que nous avons élaborées permettent de décrire également tous les régimes collisionnels, et en particulier la transition d'un régime sans collision à un régime hydrodynamique. L'essentiel de nos prédictions théoriques a été utilisé soit pour analyser, expliquer ou extraire des informations de données expérimentales. Les outils que nous avons développés ont par ailleurs été largement utilisés et adaptés pour traiter des problèmes connexes de notre communauté.
A cause de son fort moment magnetique dans l’etat fondamental, le chrome est un
bon candidat pour l’etude des interactions dipolaires dans un gaz degenere. Nous avons mis en place
un dispositif experimental afin de pieger et de refroidir des atomes de 52Cr jusqu’a la condensation
de Bose-Einstein. Le refroidissement evaporatif a lieu dans un piege optique, dont le chargement a
partir du piege magneto-optique est realise grâce a une methode originale d’accumulation en continu
d’atomes dans des etats metastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15 000
atomes en 15 s au total.
Nous avons etudie la possibilite d’amener les sous-etats Zeeman du chrome condense a degenerescence
dans un champ magnetique statique non nul, en utilisant un champ magnetique radiofrequence
(rf). Cela nous a conduit a mettre en evidence un processus de relaxation dipolaire assistee par la
rf. Nous avons ´egalement etudie une resonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui a
la particularite d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analyse cette resonance en
presence de champs rf, et reinterprete l’association rf de molecules comme une simple resonance de
Feshbach entre etats habilles. Enfin, nous avons mis en place un reseau optique dans la perspective
d’etudier l’effet des interactions dipole-dipole en dimension reduite.
Cette habilitation porte sur une série d'expériences faites avec comme leitmotiv la condensation de Bose-Einstein à deux dimensions. Pour confiner très fortement les atomes dans une direction, nous avons utilisé deux approches différentes. Dans un premier temps, nous avons projeté d'utiliser deux champs évanescents, ce qui permet de réaliser des gradients de champ très importants. Avec cet objectif, nous avons produit un condensat et mis au point une méthode de transfert vers le piège à ondes évanescentes. La production d'un condensat à 3 mm seulement d'une surface a constitué une première. Nous avons réalisé une série d'expériences impliquant une seule onde évanescente, qui ont montré que la surface du diélectrique présentait une rugosité trop importante pour confiner efficacement les atomes en dimension 2. Cette étude nous a permis en revanche de caractériser très précisément l'interaction entre les atomes et le champ diffusé par les défauts de surface. Nos expériences ont confirmé quantitativement la théorie de Carsten Henkel et al., ce qui est un point important pour les expériences, de plus en plus nombreuses, menées à proximité directe d'une surface. Nous avons également montré que la diffraction était toujours clairement observable malgré la forte diffusion, lors du rebond d'un condensat sur un miroir modulé. Dans un second temps, sur la proposition d'Oliver Zobay et Barry Garraway, nous avons mis au point une nouvelle approche pour confiner les atomes dans des potentiels très anisotropes. La combinaison d'un champ radiofréquence (RF) et d'un champ magnétique statique résulte en un potentiel adiabatique dont la géométrie peut être largement contrôlée, y compris dynamiquement. Ces potentiels RF permettent de réaliser une « bulle » à atomes, un double puits, un anneau... Nous nous sommes intéressés principalement à produire un piège quasi bidimensionnel dans l'épaisseur de la bulle. Ces pièges sont compatibles avec les condensats de Bose-Einstein, et les atomes peuvent être refroidis par évaporation in situ. Nos premières expériences impliquant des champs radiofréquence ont eu un impact important dans la communauté des atomes froids, en particulier pour les expériences sur puce. A la suite de nos travaux, de nombreuses équipes ont utilisé cette technique avec succès.
A cause de son fort moment magnetique dans l'etat fondamental, le chrome est un bon candidat pour l'etude des interactions dipolaires dans un gaz degenere. Nous avons mis en place un dispositif experimental afin de pieger et de refroidir des atomes de 52 Cr jusqu’a la condensation de Bose-Einstein. Le refroidissement evaporatif a lieu dans un piege optique, dont le chargement a partir du piege magneto-optique est realise grâce a une methode originale d’accumulation en continu d’atomes dans des etats metastables. Nous produisons un condensat contenant typiquement 15000 atomes en 15s au total. Nous avons etudie la possibilite d’amener les sous-etats Zeeman du chrome condense a degenerescence dans un champ magnetique statique non nul, en utilisant un champ magnetique radiofrequence (rf). Cela nous a conduit a mettre en evidence un processus de relaxation dipolaire assistee par la rf. Nous avons egalement etudie une resonance de Feshbach induite par l’interaction dipolaire, qui a la particularite d’impliquer un canal de collisions en onde d. Nous avons analyse cette resonance en presence de champs rf, et reinterprete l’association rf de molecules comme une simple resonance de Feshbach entre etats habilles. Enfin, nous avons mis en place un reseau optique dans la perspective d’etudier l'effet des interactions dipole-dipole en dimension reduite.